Femtoskaalan mittauksia

Kvanttitutkijat mittaavat tarkasti tehotasoja, jotka ovat biljoona kertaa tavallista pienempiä

Suomalaiset tutkijat ovat kehittäneet bolometrin, joka pystyy mittaamaan mikroaaltosäteilyn absoluuttisen tehon femtowattien tasolle asti erittäin alhaisissa lämpötiloissa – biljoona kertaa pienemmässä mittakaavassa kuin mitä rutiininomaisesti käytetään todennettavissa tehomittauksissa.

Kvanttitekniikan kokeet on tehtävä pienillä energiatasoilla – yksittäisten fotonien energiatasoon asti tai jopa vähemmän. Tutkijoiden on mitattava nämä erittäin alhaiset energiatasot mahdollisimman tarkasti, mikä tarkoittaa myös lämmön huomioon ottamista – kvanttilaitteille jatkuva ongelmaa.

Aallon ja VTT:n kvanttiteknologian apulaisprofessori Mikko Möttösen johtama tiimin aiemmin kehittämään poikkeuksellisen tarkan bolometriin he ovat nyt liittäneet kalibrointitoiminnan jonka avulla voi mitata tarkasti absoluuttisia tehoja kryogeenisissa lämpötiloissa", Möttönen kertoo.

"Kaupalliset tehoanturit mittaavat tehoa tyypillisesti yhden milliwatin asteikolla. Tämä bolometri tekee sen tarkasti ja luotettavasti yhdellä femtowatilla tai alle. Se on biljoona kertaa vähemmän tehoa kuin mitä käytetään tyypillisissä tehokalibroinneissa.

Möttönen kertoo, että uusi bolometri voisi parantaa kvanttitietokoneiden suorituskykyä. "Tarkkojen tulosten saamiseksi kubittien ohjaamiseen käytettävien mittauslinjojen tulisi olla erittäin alhaisissa lämpötiloissa, vailla lämpöfotoneja ja ylimääräistä säteilyä. Nyt tällä bolometrillä voimme itse asiassa mitata tuon säteilylämpötilan kubit-piirejä häiritsemättä", hän sanoo.

Ultranopean lasertekniikan fyysikot Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) ja Max Planck Institute of Quantum Opticsin attoworld-tiimistä ovat löytäneet uusia näkemyksiä kiinteiden aineiden elektronien dynamiikasta heti valoinjektion jälkeen.

Attoworld-tiimi on tehnyt suoran havainnon siitä, kuinka piin ja piidioksidin optiset ominaisuudet kehittyvät muutaman ensimmäisen femtosekuntien aikana vahvalla laserpulssilla tuotetun valoinjektion jälkeen.

Valosähköinen ilmiö muuttuu monimutkaisemmaksi, kun yhdelläkään valon fotonilla ei ole tarpeeksi energiaa vapauttamaan elektronia. Tällöin sitoutuneet elektronit voivat vapautua absorboimalla useamman kuin yhden fotonin kerralla tai kvanttitunneloinnin avulla. Nämä ovat epälineaarisia prosesseja, jotka ovat tehokkaita vain, kun sähkökenttä on voimakas, mikä tarkoittaa, että vain laserpulssin keskiosa voi ohjata niitä tehokkaasti.

Tutkijoiden attosekuntisen tieteen työkaluilla on mahdollista tuottaa useimmat varauksenkuljettajat valopulssin yhden puolijakson aikana, mikä lisää kiinteän aineen johtavuutta suuruusluokilla muutamassa femtosekunnissa.

Kaikki nykyaikainen elektroniikka perustuu varauksenkuljettajien virtauksen hallintaan lisäämällä ja vähentämällä nopeasti niiden kykyä liikkua piirien läpi. Attoworld-tiimin tutkimus koskee tämän ohjauksen äärinopeusrajojen saavuttamista valon avulla.

Uudet löydöt voivat lopulta auttaa saavuttamaan tulevaisuuden signaalinkäsittelyn petahertsialueella, mikä mahdollistaa niin sanotun valoaaltoelektroniikan. Se nopeuttaisi nykypäivän elektroniikkaa noin 100 000 -kertaisesti.

Aiheista aiemmin:

Nopeita ja herkkiä grafeenibolometrejä

Kurkistetaan transistorin sisälle