Uutiset

Tutkijat paljastivat kriittisen virtauksen syntymän - mahdollistaa kvanttitilojen paremman hallinnan

Kvasikiteisen rakenteen kvanttihiukkaset voivat saavuttaa vielä melko tuntemattoman, kriittiseksi virtaukseksi kutsutun tilan.
Schematic of a wave passing through a quasiperiodic structure
Aaltojen etenemisen ja lokalisaation lisäksi kvasikiteisessä rakenteessa havaitaan kriittinen virtaus, jossa aineessa kulkevat aallot käyttäytyvät kvanttifysiikan lakeihin verrattuna täysin uudella tavalla.

Kvasikiteiset rakenteet ovat pitkään herättäneet kiinnostusta paitsi matematiikan, fysiikan ja kemian aloilla, myös taiteen parissa. Penrosen laatat ovat tunnettu esimerkki näistä rakenteista. Niillä voidaan kattaa jokin pinta, esimerkiksi lattia, järjestelmällisellä mutta jaksottomalla tavalla. Kuvioon ei synny aukkoja, vaikka se ei toistu missään kohdassa täsmälleen samanlaisena kuin muualla.

Penrose tiles, that are ordered but non-repeating
Penrosen laatat. KUva: ETH Zurich/D-PHYS Oded Zilberberg.

Järjestyneessä, jaksottaisessa rakenteessa aallot etenevät rajattomasti. Jos rakenteessa on pieniä kidevirheitä, aallot leviävät huonommin ja jäävät lopulta jumiin. Tätä ilmiötä kutsutaan paikallistumiseksi eli lokalisaatioksi.

Aiemmin tunnetut järjestynyttä ja järjestymätöntä rakennetta koskevat lait eivät pidä paikkaansa kvasikiteisessä rakenteessa. Aaltojen etenemisen ja lokalisaation lisäksi rakenteessa havaitaan kriittinen virtaus, jossa aineessa kulkevat aallot käyttäytyvät kvanttifysiikan lakeihin verrattuna täysin uudella tavalla. Lisäksi kaikkia näitä kolmea käyttäytymismallia esiintyy keskenään samankaltaisten rakenteiden joukossa.

Kvasikiteiset rakenteet ovat siis järjestyneitä mutta eivät jaksottaisia. Ne sijoittuvat jaksottaisten kiteiden ja amorfisen aineen välimaastoon. Toistaiseksi on ollut ratkaisematta, miten erilaiset kvasikiteiset rakenteet voivat synnyttää keskenään näin erilaisia etenemistapoja ja millaista kriittinen virtaus on luonteeltaan.

Nature Physicsissä julkaistu teoreettista ja kokeellista lähestymistapaa yhdistävä työ paljastaa, miten kvasikiteisissä rakenteissa tapahtuva kvanttihiukkasten liike lähestyy kriittistä virtausta. Työstä vastaavat Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen apulaisprofessori Jose Lado ja hänen aiemmat kollegansa professori Oded Zilberbergin tutkimusryhmästä Zürichin teknillisestä yliopistosta, professori Jacqueline Blochin ryhmä Paris-Saclay-yliopistosta sekä professori Alberto Amon ryhmä Lillen yliopistosta.

Oded Zilberbergin, Antonio Štrkalj'n ja Jose Ladon muodostama teoreettinen tutkimustiimi paljasti teoreettisen mallinnuksen avulla, miten kriittinen virtaus todellisuudessa syntyy. He osoittivat, että ennen kriittisen virtauksen syntyä esiintyy aaltojen lokalisaation ja delokalisaation vuorottelua. Tämä lopulta johtaa siihen, että aaltojen eteneminen saa kriittisen virtauksen muodon.

Tulosten perusteella Alberto Amon ja Jacqueline Blochin johtaman kokeellisen tutkimusryhmän jäsen Valentin Goblot laati laboratoriossa todenmukaisia versioita näistä kvasikiteisistä rakenteista. Lähettämällä fotoneja niiden rakenteen läpi hän pystyi osoittamaan teoreettisen mallin toteutumisen laboratorioon rakennetussa laitteessa.

Teoreettisen ja kokeellisen kriittisen virtauksen havainnoinnin myötä voidaan kehittää uusia kvanttitilojen hallintatapoja kvanttilaitteita varten. Mahdollisuudet edistää teknologista kehitystä sen avulla ovat rajattomat.

Lisätietoa:

Artikkeli: Emergence of criticality through a cascade of delocalization transitions in quasiperiodic chains

Ota yhteyttä (englanniksi):

 Jose Lado

Jose Lado

Assistant Professor
T304 Dept. Applied Physics
  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lue lisää uutisia

mies katse niitylle päin, selkä kameraan
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Sisäministeriö: Noin joka kolmas ukrainalainen haluaa jäädä Suomeen, moni on epävarma tulevaisuudesta

Tuloksia ovat analysoineet väitöskirjatutkija Anastasiya Koptsyukh Kauppakorkeakoulun johtamisen laitokselta ja tutkija Arseniy Svynarenko Nuorisotutkimusseurasta.
Aalto University Meet Our Teachers SCI Janne Halme 2022. Photo: Mikko Raskinen.
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Yliopistonlehtori Janne Halme: Aurinkoenergia on ihan huippua!

: Janne Halmetta inspiroi lehmuskuja, jossa yhdistyvät puut, lehdet ja valo, joka siivilöityy puiden välistä. Vaikka aurinkokennon avulla voidaan tuottaa sähköä, elämää ylläpitävää fotosynteesiä se ei pysty korvaamaan.
Woman touching a long-sleeved Marimekko Unikko shirt on display
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Värejä laboratorioista ja pelloilta – tällainen on luonnonmukaisten tekstiilivärien tulevaisuus

Mitä enemmän muoti- ja tekstiiliteollisuuden ympäristövaikutuksista saadaan tietoa, sitä enemmän kestävien vaihtoehtojen kysyntä ja tarve kasvaa. Kansainvälinen tutkimusryhmä pyrkii korvaamaan myrkylliset synteettiset väriaineet luonnollisilla vaihtoehdoilla, joita saadaan esimerkiksi kasveista, mikrobeista ja ruokahävikistä.
Annika Järvelin and Hanna Castrén-Niemi have spent three weeks at three different clinics in Helsinki. Photo: Otto Olavinen, Biodesign.
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Neuvola täyttää sata vuotta – tutkijat selvittävät, miten neuvolan seuraavan vuosisadan tarpeisiin voitaisiin vastata terveysteknologiaa hyödyntäen

Tutkijat selvittävät sitä, miten neuvolan seuraavan vuosisadan tarpeisiin voitaisiin vastata Stanfordin yliopistosta lähtöisin olevien Biodesign-menetelmien keinoin.