Tutkijat paljastivat kriittisen virtauksen syntymän - mahdollistaa kvanttitilojen paremman hallinnan

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