Tuore tutkimus: Suprajohtava saareke miljoonakertaistaa valon työntövoiman

Huhtikuussa Nature Communications –lehdessä julkaistussa kokeellista ja teoreettista fysiikkaa yhdistävässä työssä tutkijat osoittivat, miten valon työntövoimaa voidaan merkittävästi kasvattaa.

Koetta varten Aalto-yliopiston tutkijat yhdessä Jyväskylän ja Oulun yliopiston tutkijoiden kanssa rakensivat sähkömagneettisen kentän ja värähtelijän väliin suprajohtavan saarekkeen välittämään näiden välistä vuorovaikutusta. Näin tutkijat pystyivät vaikuttamaan merkittävästi säteilypainekytkentään. 

Löydös avaa tien yhden fotonin eli valokvantin tasolla tapahtuvalle mekaanisten värähtelyiden kvanttiominaisuuksien tutkimukselle. Tutkimus mahdollistaa kvantti-ilmiöiden havaitsemisen entistä suuremmista rakenteista. Sen avulla voidaan tutkia, miten isoissa rakenteissa kvanttimekaniikan lainalaisuudet pätevät – eräiden väitteiden mukaan teoria toimii ainoastaan hyvin pienissä kappaleissa. Ylärajaa pätevyysalueelle ei kuitenkaan ole pystytty osoittamaan – vielä.

Valo voi kimpoilla edestakaisin kahden peilin välissä. Jos toinen peili on kiinitetty jousella, peiliin osuvien fotonien impulssit voivat vaikuttaa peilin värähtelyyn. Tutkijat onnistuivat vahvistamaan fotonien vaikutusta peiliin saattamalla fotonit vuorovaikuttamaan suprajohtavan kvanttisysteemin (vihreä) kanssa.vm

 - Käytimme mittauksessa hyväksi suprajohtavien liitosten Josephson-kytkentää ja erityisesti sen epälineaarisuutta, selittää mittauksen tehnyt tutkijatohtori Juha Pirkkalainen Aalto-yliopistosta.

- Suprajohtavan saarekkeen avulla säteilypainekytkentä kasvoi jopa miljoonakertaiseksi aiemmin saavuttamaamme kytkentään verrattuna, kertoo kokeellista tutkimustyötä johtanut professori Mika Sillanpää Aalto-yliopistosta.

Kasvaneen säteilypainekytkennän ansiosta sähkömagneettinen kenttä näkyy värähtelijälle lähes yhden fotonin tarkkuudella, ja vastaavasti värähtelijät kentälle yhden fononin eli värähtelykvantin tarkkuudella.

- Näin suuren kytkennän myötä on periaatteessa mahdollista mitata kvanttimekaanista informaatiota lähes paljain silmin nähtävästä värähtelijästä, selittää teoriapuolesta vastannut professori Tero Heikkilä Jyväskylän yliopistosta.

Tavallisissa arkipäivän tilanteissa valon säteilypaineen voi jättää huomiotta, koska ilmiöt tapahtuvat vain kvanttisysteemeissä. Vaikka valokatkaisijasta painaessasi lampusta tuleva valo eli sähkömagneettinen säteily kimpoilee huoneen pinnoilta ja saa niissä aikaan säteilypaineen, tavarat eivät lennä paikoiltaan.

Tavallisen 100 Watin lampun aikaansaama säteilypaine on vain noin biljoonasosa (0,000000000001 kertaa) normaali-ilmanpaineesta. Sen sijaan avaruudessa ilmiön merkitys tulee esiin: säteilypaineesta johtuen komeettojen pyrstö on yleensä poispäin auringosta. Ilmiötä on ehdotettu muun muassa aurinkopurjeiden käyttövoimaksi.

Viime vuosina säteilypainetta on käytetty hyväksi myös laserfysiikassa. Sen avulla voidaan kytkeä laserin sähkömagneettinen kenttä esimerkiksi kelloista löytyvien pienten mekaanisten värähtelijöiden liikkeeseen. Kytkennän pienuuden vuoksi tällöin on tarvittu melko suuria laserkenttiä, eli mitattavia ilmiöitä on saatu näkyviin vasta kun värähtelijään osuu miljoonia fotoneita.

Tutkimustyö tehtiin Suomen Akatemian Matalien lämpötilojen kvantti-ilmiöiden ja komponenttien huippuyksikössä. Sitä tuki myös Euroopan tiedeneuvosto.

Lue Nature Communications artikkeli: Cavity optomechanics mediated by a quantum two-level systemJ.-M. Pirkkalainen, S.U. Cho, F. Massel, J. Tuorila, T.T. Heikkilä, P.J. Hakonen, and M.A. Sillanpää.

Lisätietoja:

Prof. Mika Sillanpää, mika.sillanpaa@aalto.fi, +358 50 344 7330
Teknillisen fysiikan laitos, Aalto-yliopisto

Prof. Tero Heikkilä, tero.t.heikkila@jyu.fi,  +358 40 805 4804
Fysiikan laitos ja Nanotiedekeskus, Jyväskylän yliopisto