Pieniä spinejä, suuria kvanttiefektejä

Kvanttiteknologioita pidetään tulevaisuuden avainteknologioina. Tämän alan tutkimus vaatii kuitenkin tieteellisen asiantuntemuksen lisäksi joskus myös erittäin erikoistuneita laboratorio-olosuhteita.

Bose-Einstein-kondensaatit ovat merkittävä esimerkki, joissa atomit liikkuvat tahdissa, mikä tekee kvanttimekaanisista vaikutuksista näkyviä paitsi yksittäisten atomien tasolla, myös makroskooppisessa mittakaavassa.

Nykyään kvanttitutkimus keskittyy yhä enemmän Bose-Einstein-kondensaatteihin kiinteissä materiaaleissa, jotka voivat esiintyä myös kohtuullisissa lämpötiloissa. Tyypillisesti tähän tarkoitukseen käytetään puolijohteen elektroni-aukko -pareja eli eksitoneja joita voidaan tuottaa selektiivisesti laserpulsseilla.

Eksitonit ovat kuitenkin liian hitaita liikkuakseen tahdissa, ja siksi ne on kytketty optisen resonaattorin valokenttään niiden efektiivisen massan pienentämiseksi. Tuloksena on aineen ja valon hybriditila, joka tunnetaan nimellä eksitoni-polaritonit. Ne tarjoavat molempien maailmojen parhaat puolet: niitä voidaan ohjata laserpulsseilla ja koska ne ovat huomattavasti kevyempiä, ne voidaan helpommin saada kollektiiviseen kvanttimekaaniseen tilaan.

Eksitoni-polaritoni -kondensaatti on siis makroskooppinen kvanttitila, joka emittoi valoa ja voi muodostua huomattavasti vähemmällä ulkoisella jäähdytyksellä, joissakin tapauksissa jopa ilman minkäänlaista ulkoista jäähdytystä.

Näitä kondensaatteja pidetään siksi lupaavana alustana tulevaisuuden sovelluksille kvanttiviestinnässä, kvanttioptiikassa ja kvanttilaskennassa. Keskeinen haaste on kuitenkin kondensaatin ominaisuuksien ja siten sen lähettämän valon hallinta – haaste, joka on nyt voitettu:

Kansainvälinen tutkimusryhmä, jota johtivat professori Rupert Huber, tohtori Fabian Mooshammer ja tohtori Jan Wilhelm Regensburgin yliopistosta, tohtori Florian Dirnberger Münchenin teknillisestä yliopistosta ja professori Zdeněk Sofer Prahan kemian ja tekniikan yliopistosta, on osoittanut, että eksitoni-polaritoni kondensaatteja voidaan hallita materiaalin magneettisten ominaisuuksien avulla.

Tutkimusten tulokset luovat uuden rajapinnan laajennettujen kvanttitilojen ja materiaalin magneettisen järjestyksen välille. ”Tulevaisuudessa alustaa voitaisiin käyttää kondensaatin lähettämän valon suoraan kytkemiseen magneettisiin tiloihin ja sen manipulointiin erittäin lyhyillä aikaskaaloilla”, selittää tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja, tohtori Niloufar Nilforoushan. Tässä yhteydessä mikroaaltosäteilyä voidaan käyttää materiaalin magneettiseen järjestykseen selektiivisesti vaikuttamiseen.

Tämä tarjoaa lupaavia mahdollisuuksia alustan integroimiseksi magneettisiin muistipiirirakenteisiin sekä mikroaaltosäteilyn tehokkaaseen muuntamiseen optisiksi signaaleiksi.

Magneettisesti ohjattu eksitoni-polaritonikondensaatio avaa siten täysin uusia mahdollisuuksia kvanttioptiikan ja spintroniikan rajapinnassa ja luo pohjan tulevaisuuden kvanttiteknologioille.

Aiheesta aiemmin:

Spontaanin magnonkoherenssin osoittaminen huoneenlämmössä

Magnonien viritystä suoraan valolla