Nanomaailman kvanttiominaisuuksia

Syvempi ymmärrys siitä, miten elektroniset kytkimet pienimmillään toimivat, voisi auttaa tutkijoita siirtämään nykyaikaisen tietojenkäsittelyn rajoja. Toisaalta myös nanohiukkasten kvanttiominaisuuksien hyötykäyttöön saamiseksi on tehty uusia tutkimuksia.

Tiedemiehet ovat äskettäin kuvanneet ensimmäiset tilanneotokset atomien liikkumisesta kytkimissä sen kytkeytyessä päälle ja pois. He havaitsivat muun muassa kytkimen sisällä lyhytaikaisen välitilan, jota voitaisiin jonain päivänä hyödyntää nopeampiin ja energiatehokkaampiin tietokonelaitteisiin.

SLAC National Accelerator Laboratoryn ja usean yliopiston tutkijoiden ryhmä kuvaili saavutuksensa Science -tiedejulkaisussa.

Kokeilussa käytettiin vanadiinidioksidista tehtyjä nanomittaisia elektronisia kytkimiä. Niitä ohjattiin edestakaisin eristävien ja johtavien tilojen välillä ja erikoislaitteilla otetuista tilannekuvista muodostettiin liikkuvaa kuvaa atomisista liikkeistä. Samalla myös mitattiin, miten materiaalin elektroniset ominaisuudet muuttuvat ajan myötä.

"Eristävillä ja johtavilla tiloilla on hieman erilaiset atomijärjestelyt ja yleensä tilasta toiseen siirtymiseen kuluu energiaa", toteaa SLAC -tutkija Xiaozhe Shen. "Mutta kun siirtyminen tapahtuu tämän välitilan kautta, kytkentä voi tapahtua ilman mitään muutoksia atomijärjestelyyn."

Tutkimus jatkuu selvittämällä miten tilan vakauttavat materiaalivirheet voidaan suunnitella, jotta uudesta tilasta saadaan vakaampi ja kestävämpi. Näin he voivat valmistaa laitteita, joissa elektroninen kytkentä voi tapahtua ilman atomien liikkeitä, jolloin ne toimisivat nopeammin ja vaatisivat vähemmän energiaa.

Nanohiukkasten kvanttiominaisuudet

Oriol Romero-Isartin johtama itävaltalainen tutkimusryhmä ehdottaa puolestaan tapaa hyödyntää kvanttitasolle saatettujen nanohiukkasten kvanttiominaisuuksia ennen kuin ne menetetään epäjohdonmukaisuuden vuoksi.

Tutkijat jäähdyttivät lasin nanopartikkelin kvanttijärjestelmään. Näin tehden hiukkaselta viedään sen kineettinen energia laserien avulla. Jäljelle jäävät liikkeet eli kvanttivaihtelut, jotka eivät enää noudata klassisen vaan kvanttifysiikan lakeja.

"Vaikka atomit perustilassaan pomppivat ympäriinsä kokoaan suuremmilla etäisyyksillä, nanohiukkasten kvanttivaihtelut ovat pienempiä kuin atomin halkaisija," taustoittavat tutkijat.

Nanohiukkasten kvanttiluonteen hyödyntämiseksi hiukkasten aaltofunktiota on laajennettava huomattavasti. Se onnistui optisten kenttien avulla ja niitä rytmisesti muuttamalla hiukkaset siirtyvät hetkeksi eksponentiaalisesti suuremmille etäisyyksille

”Pienimmätkin häiriöt voivat tuhota hiukkasten johdonmukaisuuden, minkä vuoksi muuttamalla optisia potentiaaleja, irrotamme vain hetkeksi hiukkasten aaltofunktion ja puristamme sen välittömästi uudelleen”, Oriol Romero-Isart selittää. Kun potentiaalia muutetaan toistuvasti, nanohiukkasten kvanttiominaisuuksia voidaan hyödyntää.

Uudella tekniikalla makroskooppisia kvanttiominaisuuksia voidaan tutkia tarkemmin. Kävi myös ilmi, että tämä tila on hyvin herkkä staattisille voimille. Siten menetelmä voisi mahdollistaa erittäin herkät instrumentit, joita voidaan käyttää painovoiman kaltaisten voimien määrittämiseen erittäin tarkasti.

Käyttämällä kahta hiukkasta, jotka on laajennettu ja puristettu samanaikaisesti tällä menetelmällä, olisi myös mahdollista lomittaa heikko vuorovaikutus ja tutkia täysin uusia alueita makroskooppisessa kvanttimaailmassa.

Aiheista aiemmin:

Nopea vaihto puolijohde- ja metallitilojen välillä

Valolla kohti huonelämpöistä kvanttitietokonetta