Veijo Hänninen

Tiedettä kiderakenteiden mallintamisesta painovoimateoriaan

Tieteellisiä tutkimustuloksia on kesän aikana tullut alkaen käytännöllisistä kiderakenteiden matemaattisesta mallintamisesta suomalaistutkijoiden uuteen painovoimateoriaan.

Osakan yliopiston tutkijat ovat etsineet matemaattista kauneutta epätäydellisissä kiteissä ja siten kehittäneet uudet matemaattiset mallit, jotka valaisevat kidevirheiden mekaniikkaa

Monimutkaisuus on haaste

Vaikka kiteet saattavat näyttää ulkoisesti täydellisiltä, niiden mikrorakenne voi olla melko monimutkainen, mikä tekee niiden matemaattisesta mallintamisesta vaikeaa.

Mutta on ihmisiä, jotka vastaavat haasteeseen. Royal Society Open Science -lehdessä julkaistussa artikkelissa  Osakan yliopiston tutkijat käyttivät differentiaaligeometriaa tarjotakseen vankan, täsmällisen ja yhtenäisen kuvauksen kiteiden ja niiden virheiden mekaniikasta.

Ideaalisessa kiteessä jokainen atomi on järjestäytynyt täydelliseen jaksolliseen kuvioon. Useimmat kiteet eivät kuitenkaan lähemmin tarkasteltuna ole täydellisiä. Niiden rakenteessa on pieniä virheitä – puuttuva atomi jossain ja ylimääräinen sidos toisaalla. Näillä virheillä on tärkeitä mekaanisia seurauksia – ne voivat olla esimerkiksi murtuman lähtökohta tai niitä voidaan jopa käyttää materiaalien lujittamiseen. Vikojen ja niiden ilmiöiden ymmärtäminen on siksi erittäin tärkeää tutkijoille.

”Virheitä on monenlaisia”, selittää tutkimuksen päätekijä Shunsuke Kobayashi. ”Esimerkiksi translaatiosymmetrian rikkoutumiseen liittyy niin kutsuttuja dislokaatioita ja rotaatiosymmetrian rikkoutumiseen liittyviä disklinaatioita. Kaikkien näiden virheiden kuvaaminen yhdessä matemaattisessa teoriassa ei ole suoraviivaista.”

”Differentiaaligeometria tarjoaa erittäin elegantin viitekehyksen näiden monipuolisten ilmiöiden kuvaamiseen”, sanoo vanhempi kirjoittaja Ryuichi Tarumi. ”Näiden vaikutusten havaitsemiseen voidaan käyttää yksinkertaisia matemaattisia operaatioita, joiden avulla voimme keskittyä näennäisesti erilaisten vikojen samankaltaisuuksiin.”

Tiimi toivoo, että heidän geometrinen lähestymistapansa kiteiden mekaniikan kuvaamiseen inspiroi lopulta tiedemiehiä ja insinöörejä suunnittelemaan materiaaleja, joilla on tiettyjä ominaisuuksia hyödyntämällä vikoja, kuten materiaalien lujittumista, jollaista havaitaan disklinaatioiden yhteydessä.

Kaksoisraon koe kestää aikaa

MIT:n fyysikot ovat puolestaan laatineet idealisoidun version yhdestä kvanttifysiikan kuuluisimmista kokeista. Heidän löydöksensä osoittavat atomitason tarkkuudella valon kaksijakoisen mutta samalla välttelevän luonteen. Ne myös vahvistavat, että Albert Einstein oli väärässä tässä nimenomaisessa kvanttiskenaariossa.

Kyseinen koe on kaksoisraon koe, jonka brittiläinen tutkija Thomas Young teki ensimmäisen kerran vuonna 1801 osoittaakseen, miten valo käyttäytyy aaltona.

Kaksoisraon koe havainnollistaa kvanttimekaniikan perusperiaatetta: että kaikki fyysiset kappaleet, myös valo, ovat samanaikaisesti hiukkasia ja aaltoja.

Lähes vuosisata sitten kaksoisraon koe oli fyysikkojen Albert Einsteinin ja Niels Bohrin välisen ystävällisen väittelyn keskipisteenä. Vuonna 1927 Einstein väitti, että fotonin tulisi kulkea vain toisen kahdesta raosta läpi ja samalla tuottaa pieni voima kyseiseen rakoon, kuten lintu kahissuttaa puun lehtiä ohi lentäessään. Hän ehdotti, että tällainen voima voitaisiin havaita samalla kun havaitaan interferenssikuvio, jolloin valon hiukkas- ja aaltoluonne havaitaan samanaikaisesti. Vastauksena tähän Bohr sovelsi kvanttimekaanista epävarmuusperiaatetta ja osoitti, että fotonin reitin havaitseminen pyyhkisi pois interferenssikuvion.

Tutkijat ovat sittemmin suorittaneet useita versioita kaksoisrakokokeesta, ja ne kaikki ovat eriasteisesti vahvistaneet Bohrin muotoileman kvanttiteorian pätevyyden.

Nyt MIT:n fyysikot ovat suorittaneet tähän mennessä "idealisoiduimman" version kaksoisraon kokeesta. Heidän versionsa supistaa kokeen sen kvanttiolettamuksiin. He käyttivät yksittäisiä atomeja rakoina ja heikkoja valonsäteitä siten, että jokainen atomi sirotti korkeintaan yhden fotonin. Valmistelemalla atomit eri kvanttitiloissa he pystyivät muokkaamaan sitä, mitä informaatiota atomit saivat fotonien reitistä. Tutkijat vahvistivat näin kvanttiteorian ennusteet: Mitä enemmän informaatiota valon reitistä (eli hiukkasluonteesta) saatiin, sitä huonompi interferenssikuvion näkyvyys oli.

”Einstein ja Bohr eivät olisi koskaan uskoneet, että tällainen koe yksittäisillä atomeilla ja yksittäisillä fotoneilla on mahdollista”, sanoo professori Wolfgang Ketterle. ”Olemme tehneet idealisoidun Gedanken-kokeen” (ajatustason kokeen).

Raskaat fermionit lomittuneet: Kvanttilaskennan uusi rajaseutu?

Japanilainen tutkimusryhmä on havainnut "raskaita fermioneja", dramaattisesti suurentuneen massan omaavia elektroneja, joissa esiintyy Planckin ajan – kvanttimekaniikan perusajan yksikön – säätelemää kvanttilomittumista. Tämä löytö avaa jännittäviä mahdollisuuksia hyödyntää tätä ilmiötä kiinteän olomuodon materiaaleissa uudentyyppisen kvanttitietokoneen kehittämiseksi.

Tutkimusta johtanut Osakan yliopiston tohtori Shin-ichi Kimura selittää: ”Tuloksemme osoittavat, että kvanttikriittisessä tilassa olevat raskaat fermionit ovat todellakin lomittuneet toisiinsa, ja tätä lomittumista säätelee Planckin aika. Tämä suora havainto on merkittävä askel kohti kvanttilomittumisen ja raskaiden fermionien käyttäytymisen välisen monimutkaisen vuorovaikutuksen ymmärtämistä.”

Kvanttilomittuminen on kvanttilaskennan keskeinen resurssi, ja kyky hallita ja manipuloida sitä kiinteän olomuodon materiaaleissa, kuten CeRhSn:ssä, tarjoaa potentiaalisen polun kohti uusia kvanttilaskennan arkkitehtuureja.

Kvanttihyppy antimaterian mittauksissa

Hiukkastutkimuslaitos CERNin ja sen tukiorganisaatio BASE:n yhteistyö on saavuttanut läpimurron antimateriatutkimuksessa. He ovat pistäneet antiprotonin – protonin antimateriavastineen – värähtelemään loukussa tasaisesti kahden eri kvanttitilan välillä lähes minuutin ajan.

Saavutus, josta raportoitiin Nature -lehdessä julkaistussa artikkelissa, on ensimmäinen antimateriaalisen kvanttibitin eli kubitin demonstraatio ja tasoittaa tietä huomattavasti paremmille vertailuille aineen ja antimateriakäyttäytymisen välillä.

”Tämä edustaa ensimmäistä antimateria-kubittia ja avaa mahdollisuuden soveltaa kaikkia koherentteja spektroskopiamenetelmiä yksittäisen aineen ja antimateriajärjestelmien tarkkuuskokeisiin”, selittää BASE:n tiedottaja Stefan Ulmer. ”Mikä tärkeintä, se auttaa BASE:a suorittamaan antiprotonimomenttimittauksia tulevissa kokeissa 10 - 100-kertaisesti parannetulla tarkkuudella.”

Kubitit ovat kvanttitietokoneiden perusrakenneosia mutta tämä työn osoittamalla antimateria-kubitilla ei todennäköisesti ole välittömiä sovelluksia perusfysiikan ulkopuolella.

Huippukvarkkiparien vaikeasti tavoitettava romanssi havaittu

CERNin suuren hadronikiihdyttimen (LHC) CMS-kokeessa aiemmin havaittu protoni-protoni-törmäysten odottamaton piirre on nyt vahvistettu instituution ATLAS sisarkokeessa. Tulos viittaa siihen, että huippukvarkit – raskaimmat ja lyhytikäisimmät alkeishiukkaset – voivat hetkellisesti pariutua antimateriavastineidensa kanssa ja muodostaa "kvasisidotun tilan", jota kutsutaan toponiumiksi.

Jos toponiumhypoteesi vahvistetaan, sen löytäminen toisi uuden käänteen kvarkonium-tarinaan – kvarkonium on termi epävakaille tiloille, jotka muodostuvat saman makuisten raskaiden kvarkkien ja antikvarkkien pareista. Karmonium (viehätysvoima–antiviehätysvoima) löydettiin vuonna 1974, mikä käynnisti hiukkasfysiikan "marraskuun vallankumouksen", ja bottomonium (pohja–antipohja) löydettiin kolme vuotta myöhemmin.

”Nämä vaikuttavat ATLAS- ja CMS-tutkimusten tulokset osoittavat, että hiukkasfysiikan standardimallista on vielä paljon opittavaa korkeilla energioilla”, sanoi CERNin tutkimus- ja laskentajohtaja Joachim Mnich. ”Ne osoittavat, että tarkat mittaukset, joista monia ei koskaan pidetty mahdollisina hadronikiihdyttimessä, voivat paljastaa huomattavan hienovaraisia ilmiöitä, jotka syventävät ymmärrystämme luonnosta.”

Uusi painovoimateoria voi antaa vastauksia maailmankaikkeuden syntyyn

Aalto-yliopiston tutkijat ovat tehneet teoreettisessa fysiikassa mahdollisesti mullistavan läpimurron: he ovat kehittäneet uudenlaisen tavan selittää painovoimaa, mikä voisi ratkaista yhden alan sitkeimmistä haasteista – kuinka sovittaa yhteen Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria, joka kuvaa painovoimaa, ja kvanttikenttäteoriat, jotka kuvaavat luonnon muita perusvoimia.

Aalto-yliopiston tutkijatohtori Mikko Partanen ja professori Jukka Tulkki ovat kehittäneet uuden aika-avaruuden ja alkeishiukkasten symmetriat yhdistävän painovoiman kvanttikenttäteorian, joka sopii yhteen hiukkasfysiikan standardimallin kanssa. Tämä tarkoittaa, että painovoima voidaan selittää samaan tapaan kuin muut fysiikan perusvoimat eli sähkömagnetismi sekä vahva ja heikko ydinvoima – mikä ei ole koskaan aiemmin onnistunut.

”Jos teoriamme osoittautuu oikeaksi, se tulee jatkotutkimuksen myötä antamaan vastauksia hyvin monimutkaisiin kysymyksiin, jotka liittyvät esimerkiksi mustien aukkojen ja alkuräjähdyksen ymmärtämiseen. Yleinen suhteellisuusteoria ei sellaiseen pysty”, Partanen sanoo.

Fyysikot ovat jo pitkään etsineet painovoiman kvanttiteoriaa eli teoriaa, joka yhdistää yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan yhdeksi toimivaksi kokonaisuudeksi. Tähän mennessä teoriat ovat toimineet hyvin omilla alueillaan – kvanttimekaniikka kuvaa tarkasti alkeishiukkasten maailmaa, kun taas yleinen suhteellisuusteoria selittää suurten kappaleiden, kuten esimerkiksi planeettojen ja galaksien liikettä. Ongelmana on ollut, että teoriat eivät sovi yhteen ääriolosuhteissa, kuten mustissa aukoissa tai maailmankaikkeuden alkuhetkillä.

Partasen ja Tulkin teoria pyrkii ratkaisemaan tämän ristiriidan käyttäen niin kutsuttua mittakenttäteoriaa hiukkasfysiikan standardimallin tapaan. He ovat osoittaneet, että teoria toimii tiettyyn laskennalliseen pisteeseen asti ja noudattaa niin sanottua renormalisointia – menettelyä, jolla vältetään matemaattisia äärettömyyksiä. Teorian toimivuus vaatii kuitenkin vielä lisätutkimusta. Tutkimus on nyt julkaistu kansainvälisesti arvostetussa Reports on Progress in Physics -lehdessä.

”Haluamme, että muu tiedeyhteisö tarkastelee teoriaa kriittisesti ja osallistuu sen kehittämiseen”, Tulkki sanoo.

Vaikka teoreettisen fysiikan läpimurrot eivät heti näy arjessamme, myös moni nykyteknologian saavutus perustuu juuri niihin – esimerkiksi älypuhelimen GPS toimii Einsteinin kehittämän yleisen suhteellisuusteorian ansiosta.

”Kuten kvanttimekaniikka ja suhteellisuusteoria ennen sitä, toivomme teoriamme avaavan täysin uusia väyliä fysiikan tutkimukselle”, Partanen sanoo.