Kvanttimekaaninen värähtely hallintaan O.V. Lounasmaa -laboratoriossa

08.08.2012

Aalto-yliopiston O.V. Lounasmaa -laboratorion tutkijaryhmä on onnistunut tarkastelemaan kvanttitason ilmiöitä manipuloimalla mikromekaanisia aaltoja lähellä absoluuttista nollapistettä. Ryhmän artikkelin on juuri julkaissut Nature Communications.

Näennäisesti paikallaan oleviin kappaleisiin ja hiukkasiin vaikuttaa molekyylien lämpöliike, joka saa ne liikkumaan jatkuvasti ja satunnaisesti edestakaisin. Brownin liikkeeksi kutsutun ilmiön voi havaita vain mikroskoopilla. Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen professori Mika Sillanpään vetämä tutkimusryhmä O.V. Lounasmaa -laboratoriosta jäähdytti tutkimansa mikromekaaniset aallot lähelle absoluuttista nollapistettä. Äärimmäisen kylmissä lämpötiloissa hiukkasiin jää jäljelle enää kvanttimekaaninen nollapistevärähtely. Tätä kvanttitason heiluriliikettä tutkijat ovat nyt pystyneet hallitsemaan ja hyödyntämään. Työ tehtiin yhteistyössä Aalto-yliopiston professori Pertti Hakosen ja dosentti Tero Heikkilän tutkimusryhmien kanssa.

– Mitä matalampi lämpötila on, sitä paremmin kvanttitason ilmiöt voidaan havaita. Nyt olemme atomien kvanttimaailman ja makroskooppisen, silmillä havaittavan tason välissä, mutta pystymme silti havaitsemaan kvantteja. Tutkimamme mikromekaaniset aallot ovat pituudeltaan noin viidesosan hiuksen paksuudesta, Sillanpää kertoo.

Tutkijoiden rakentama laite koostuu kahdesta ohuesta alumiinikalvosta – mikromekaanisesta resonaattorista – jotka on kytketty mikroaaltotaajuiseen kaviteettiresonaattoriin. Kaviteettiin vangitaan jäähdytetyt aallot, jotta niiden kvanttitason mekaniikkaa voidaan tutkia.

MicromechanicalResonator.jpg

Tutkimuksessa käytettiin alumiini-ohutkalvosta valmistettua mikromekaanista resonaattoria, joka on ikään kuin päistään kiinnitetty kitarankieli. Se on yhdistetty mikroaaltokaviteettiin nuolien osoittaman ohuen tyhjiöraon kautta.

– Laitteen toimintaa voi verrata kahden jousilla seinään kiinnitetyn peilin välissä kimpoileviin valonsäteisiin. Jäähtyminen johtuu siitä, että kimpoilevat fotonit antavat peileille potkuja, jotka vaimentavat näiden liikettä.

Vastaavia tuloksia on saavutettu aiemminkin, mutta vain yhdellä muuttujalla.

– Perustutkimuksemme tavoite on päästä kiinni aina vain kompleksisempiin kvanttitason systeemeihin. Siksi pyrimme tässä tutkimuksessa jäähdyttämään useita mekaanisia resonaattoreita ja tutkimaan niiden nollapistevärähtelyä.

Informaatiota talteen pitkäksi aikaa kvanttitasolle

Aalto-yliopiston tutkijat erottivat kvanttitason värähtelystä myös niin sanotun pimeän tilan, jossa värähtely on erittäin pitkäkestoista. Siihen voi olla mahdollista koodata ja säilöä informaatiota. Kvanttimekaanisia laitteita informaation salaamiseen ja suojaamiseen on jo olemassa, mutta ne perustuvat optiikkaan.

– Mikropiiritekniikalla ja piisiruilla tehtävät kokeet ja laitteet ovat huomattavasti helpompia rakentaa. Siten myös informaation koodaaminen kvanttitasolla mikrosiruille olisi helpompaa kuin optisiin järjestelmiin, Sillanpää arvioi.

– Alamme tutkia nyt värähtelyjen pitkäikäisiä tiloja. Tavoitteemme on laittaa mikroaaltofotoni rakentamaamme järjestelmään pitkäksi aikaa ja noutaa se takaisin, eli luoda kvanttimekaaninen muistipiiri.

Francesco Massel, Sung Un Cho, Juha-Matti Pirkkalainen, Pertti J. Hakonen, Tero T. Heikkilä & Mika A. Sillanpää (2012) Multimode circuit optomechanics near the quantum limit.

Artikkeli luettavissa Nature Communications -julkaisun verkkosivuilla: http://www.nature.com/ncomms/journal/v3/n8/full/ncomms1993.html

 

Lisätietoja:

Mika Sillanpää

mika.sillanpaa [at] aalto [dot] fi

p. +358 50 3442794

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu

Teknillisen fysiikan laitos

O.V. Lounasmaa -laboratorio

 

Takaisin