Voisiko kvanttitilan välimuoto vauhdittaa tulevaisuuden teknologioita

Michiganin yliopiston Kai Sun on vaatimaton fysiikan professori, jolla on kunnianhimoisia tavoitteita.

Sunin ja hänen kollegoidensa julkaiseman uuden tutkimuksen mukaan kvanttikäyttäytyminen, jota aiemmin pidettiin mahdollisena vain joskus, on itse asiassa helposti toteutettavissa.

Tämän käyttäytymisen hyödyntäminen voisi auttaa manipuloimaan valoa ja muita kvanttihiukkasia uusilla tavoilla, mikä voisi löytää sovelluksia kehittyvillä aloilla, kuten kvanttilaskennassa.

Vaikka klassinen fysiikka on yleensä mustavalkoinen, kvanttimekaniikka on kuuluisa sienimäisyydestään.

Aiemmin tiedemiehet olivat ajatelleet, että energinen aalto tai hiukkanen esiintyy materiaalien sisällä kahdella tyypillisellä tavalla. ”Jos käytämme kvanttiterminologiaa, toinen on rajoittunut tai paikallinen ja toinen on etenevä aalto”, Sun sanoi.

Tutkijat ovat tienneet, että on olemassa kolmas, osittain, mutta ei täysin paikallinen, välitila. Ongelmana, tai niin he luulivat, oli se, että nämä tilat olivat hyvin pikkutarkkoja.

Todellisissa materiaaleissa paikallisen aallon esteitä voivat olla reunat tai epäsäännöllisyydet mikrorakenteissa. Rajoitetut tilat tai moodit voivat värähdellä näiden rajojen sisällä, mutta niiden energia katoaa hyvin nopeasti niiden ulkopuolella. Matemaattisesti tarkalleen ottaen tämä nopea vaimeneminen on eksponentiaalista.

Eteneville aalloille ei ole tällaisia esteitä eikä nopeita vaimenemisia. Mutta niiden välisessä, osittain rajatussa tilassa tapahtuu vaimeneminen, joka ei ole yhtä voimakasta kuin eksponentiaalinen. Tätä vaimenemista kuvataan matemaattisesti niin sanotulla potenssilailla.

"Potenssilaki on paljon hitaampi vaimeneminen kuin eksponentiaalinen, mutta paljon nopeampi kuin ei vaimenematon", Sun sanoi.

Tutkijat ovat aiemmin havainneet potenssilain heikkenemisen tilanteita tosielämän kokeissa, mutta näiden tilanteiden ajateltiin olevan hankalia luoda ja ylläpitää.

”Se oli mahdollista, mutta se vaati jonkinlaista hienosäätöä”, Sun sanoi. ”Tässä työssä hauskaa on se, että löydämme järjestelmien perheen, jossa kaikki moodit ovat potenssilakeja ja ne ovat erittäin vankkoja. Ne eivät tarvitse mitään hienosäätöä.”

Artikkelissa tuodaan esiin uusia suunnittelunäkökohtia, jotka voisivat helpottaa ja tehdä näiden tilojen käytöstä jatkossa luotettavampaa. Yksi tämän löydöksen avaimista on se, että aiemmin useimmat tutkijat olivat keskittyneet yksiulotteisiin ongelmiin, kuten kuminauhaan.

Sun ja kollegat tarkastelivat, mitä tapahtuu kahdessa tai useammassa ulottuvuudessa, ja löysivät tapauksia, joissa potenssilain heikkenemiset ovat normi materiaalien reunojen lähellä. He havaitsivat myös, että näiden reunamoodien käyttäytyminen oli hyvin herkkä materiaalin muodolle, erityisesti sen sivusuhteelle, mitä ei ole aiemmin osoitettu.

Sunin mukaan on jännittävää sekä löytää uusia fysiikan ilmiöitä että alkaa kuvitella sovelluksia esimerkiksi kvanttilaskennan kaltaisilla aloilla. Esimerkiksi bitit voisivat isännöidä rajoitettuja mooditiloja laskutoimituksia varten, mutta silti potenssilakimoodit voisivat siirtää informaatiota niiden välillä.

"Tämä työ paljastaa uusia käsitteitä perusasioissa ja avaa samalla uusia mahdollisuuksia tulevaisuuden sovelluksille", Sun sanoi.

Aiheesta aiemmin: 

Rypyttämällä ultratehokasta elektroniikkaa

Eksoottisia kvanttivaikutuksia