Aaltoja suprajohtavuuteen ja aikakiteisiin

Aalto-yliopiston ja Oak Ridge National Laboratoryn tutkijat ovat kehittäneet uuden menetelmän, jolla voidaan ensimmäistä kertaa mitata kvanttihiukkasten tiloja suprajohtimissa yksittäisten atomien tasolla.

Suprailmiön aiheuttavat ns. Cooperin parit, eli tietyllä tavalla pariutuvat elektronit. Tähän asti Cooperin pareja on mitattu vain epäsuorasti, mutta tässä yhteistyössä tutkijat ovat havainneet niitä yksittäisten atomien tasolla.

Oak Ridgen tutkijat Wonhee Ko ja Petro Maksymovych käyttivät perustanaan Aallon fysiikan professori Jose Ladon teoriaa, jonka kokeet sitten todistivat.

Kvanttimekaniikassa elektronit voivat ”tunneloitua” järjestelmästä toiseen tavalla, jota klassisen fysiikan mallit eivät pysty selittämään. Jos esimerkiksi elektroni muodostaa parin toisen elektronin kanssa juuri siinä kohdassa, jossa suprajohdin ja jokin metalli kohtaavat, ne voivat muodostaa Cooperin parin, joka siirtyy suprajohtimeen ja samalla potkaisee toisenlaisen hiukkasen takaisin metalliin. Tätä prosessia kutsutaan Andrejevin heijastukseksi ja tutkijat etsivät niitä löytääkseen Cooperin pareja niiden kautta.

“Tämä tekniikka antaa meille erittäin tärkeän uuden tavan ymmärtää epätavallisten suprajohtimien sisäistä kvanttirakennetta. Se voi auttaa meitä monissa kvanttimateriaaleihin liittyvissä avoimissa kysymyksissä”, professori Lado toteaa.

Epätavalliset suprajohtimet ovat mahdollisia kvanttitietokoneiden rakennuspalasia ja voivat mahdollistaa huoneenlämmössä tapahtuvan suprajohtumisen.

Aalto-yliopiston, Lancaster Universityn, Royal Holloway Londonin ja Landau Instituten kansainvälinen tutkijaryhmä on puolestaan tarkkaillut aikakiteitä.

Kokeilu tehtiin Aalto-yliopistossa ja siinä käytettiin harvinaista Helium-3:a isotooppia, joka jäähdytettiin supernesteisen tilaan noin 10 tuhannesosaan absoluuttisesta nollasta (0,0001 K tai -273,15 C). Sitten tutkijat loivat kaksi aikakitettä supranesteen sisään ja saivat ne kosketukseen toisiinsa sekä tarkkailivat niiden vuorovaikutusta kvanttifysiikassa kuvatulla tavalla.

Täten nämä tieteilijät ovat luoneet ensimmäisen "aikakiteisen" kahden kehon järjestelmän kokeessa, joka näyttää vääristävän fysiikan lakeja.

Aikakiteiden uskottiin pitkään olevan mahdottomia, koska ne on valmistettu atomeista, jotka ovat loputtomassa liikkeessä. Nyt julkaistu löytö osoittaa, että aikakiteiden luomisen lisäksi niitä voidaan muuttaa hyödyllisiksi rakenteiksi.

Tohtori Samuli Autti, johtava kirjoittaja Lancasterin yliopiston fysiikan laitokselta, selittää: "Kaikki tietävät, että ikuiset koneet ovat mahdottomia. Kvanttifysiikassa ikuinen liike on kuitenkin ok niin kauan kuin pidämme silmämme kiinni. Hiipimällä tämän tempun läpi voimme tehdä aikakiteitä."

"Kahden sellaisen yhdistäminen toimii kauniisti, vaikka aikakiteitä ei alun perin pitäisi olla olemassa. Tiedämme jo aiemmista kokeista, että niitä on olemassa myös huoneenlämmössä."

Kaksitasoinen järjestelmä on kvanttitietokoneen perusrakenneosa. Aikakiteitä voitaisiin käyttää huoneenlämpötilassa toimivien kvanttilaitteiden rakentamiseen.

Aiheesta aiemmin:

Majoranan metsästystä