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
Department of Applied Physics
  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lisää tästä aiheesta

Nitin Sawhney standing outdoors with his bike, green grass and trees on the background
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Nitin Sawhneylle Suomen Akatemian rahoitus kriiseistä kertovien tarinoiden analysointiin ja rekonstruointiin

Sawhney toivoo tutkimuksen lisäävän ymmärrystä siitä, miten kriisitarinat syntyvät yhteiskunnassa maailmanlaajuisen pandemian aikana.
Learning Centre graphics
Tutkimus ja taide, Opinnot Julkaistu:

Helsingin Sanomat käytössä vain VPN-yhteydellä

Pääsy Helsingin Sanomien verkkolehden artikkeleihin on muuttunut.
New Cotton Project
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Puuvillalle haastaja

Aalto-yliopisto mukana yhteistyöhankkeessa, jossa luodaan kestävää muotia huipputeknologian avulla.
Blue sea, golden grass and green woods in a view to Laajalahti nature reserve
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Rahoitusta strategiseen tutkimukseen

Suomen Akatemian rahoittamissa hankkeissa tutkitaan kaupunkiviheralueiden merkitystä hiilensidonnassa sekä sotedatan luotettavaa hyödyntämistä.