Tutkijat paljastivat kriittisen virtauksen syntymän - mahdollistaa kvanttitilojen paremman hallinnan
Kvasikiteiset rakenteet ovat pitkään herättäneet kiinnostusta paitsi matematiikan, fysiikan ja kemian aloilla, myös taiteen parissa. Penrosen laatat ovat tunnettu esimerkki näistä rakenteista. Niillä voidaan kattaa jokin pinta, esimerkiksi lattia, järjestelmällisellä mutta jaksottomalla tavalla. Kuvioon ei synny aukkoja, vaikka se ei toistu missään kohdassa täsmälleen samanlaisena kuin muualla.
Järjestyneessä, jaksottaisessa rakenteessa aallot etenevät rajattomasti. Jos rakenteessa on pieniä kidevirheitä, aallot leviävät huonommin ja jäävät lopulta jumiin. Tätä ilmiötä kutsutaan paikallistumiseksi eli lokalisaatioksi.
Aiemmin tunnetut järjestynyttä ja järjestymätöntä rakennetta koskevat lait eivät pidä paikkaansa kvasikiteisessä rakenteessa. Aaltojen etenemisen ja lokalisaation lisäksi rakenteessa havaitaan kriittinen virtaus, jossa aineessa kulkevat aallot käyttäytyvät kvanttifysiikan lakeihin verrattuna täysin uudella tavalla. Lisäksi kaikkia näitä kolmea käyttäytymismallia esiintyy keskenään samankaltaisten rakenteiden joukossa.
Kvasikiteiset rakenteet ovat siis järjestyneitä mutta eivät jaksottaisia. Ne sijoittuvat jaksottaisten kiteiden ja amorfisen aineen välimaastoon. Toistaiseksi on ollut ratkaisematta, miten erilaiset kvasikiteiset rakenteet voivat synnyttää keskenään näin erilaisia etenemistapoja ja millaista kriittinen virtaus on luonteeltaan.
Nature Physicsissä julkaistu teoreettista ja kokeellista lähestymistapaa yhdistävä työ paljastaa, miten kvasikiteisissä rakenteissa tapahtuva kvanttihiukkasten liike lähestyy kriittistä virtausta. Työstä vastaavat Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen apulaisprofessori Jose Lado ja hänen aiemmat kollegansa professori Oded Zilberbergin tutkimusryhmästä Zürichin teknillisestä yliopistosta, professori Jacqueline Blochin ryhmä Paris-Saclay-yliopistosta sekä professori Alberto Amon ryhmä Lillen yliopistosta.
Oded Zilberbergin, Antonio Štrkalj'n ja Jose Ladon muodostama teoreettinen tutkimustiimi paljasti teoreettisen mallinnuksen avulla, miten kriittinen virtaus todellisuudessa syntyy. He osoittivat, että ennen kriittisen virtauksen syntyä esiintyy aaltojen lokalisaation ja delokalisaation vuorottelua. Tämä lopulta johtaa siihen, että aaltojen eteneminen saa kriittisen virtauksen muodon.
Tulosten perusteella Alberto Amon ja Jacqueline Blochin johtaman kokeellisen tutkimusryhmän jäsen Valentin Goblot laati laboratoriossa todenmukaisia versioita näistä kvasikiteisistä rakenteista. Lähettämällä fotoneja niiden rakenteen läpi hän pystyi osoittamaan teoreettisen mallin toteutumisen laboratorioon rakennetussa laitteessa.
Teoreettisen ja kokeellisen kriittisen virtauksen havainnoinnin myötä voidaan kehittää uusia kvanttitilojen hallintatapoja kvanttilaitteita varten. Mahdollisuudet edistää teknologista kehitystä sen avulla ovat rajattomat.
Lisätietoa:
Artikkeli: Emergence of criticality through a cascade of delocalization transitions in quasiperiodic chains
Ota yhteyttä (englanniksi):
Lue lisää uutisia
Katalyysi uudessa valossa: mikrotason vuorovaikutukset voivat tehostaa puhtaan energian teknologioita
Uusi tutkimus avaa tarkemman näkymän siihen, miten katalyytit toimivat kemiallisten reaktioiden aikana. Löydös voi auttaa kehittämään tehokkaampia materiaaleja esimerkiksi vihreän vedyn tuotantoon ja kestävämpään kemianteollisuuteen.
Vuosikatselmus loi katsauksen menneeseen vuoteen
Taiteiden ja suunnittelun korkeakoulun vuosikatselmuksessa tehtiin kattava katsaus kuluneeseen vuoteen ja palkittiin ansioituneita yhteisön jäseniä.
Vuoden alumni Anna Brotkin: ”Tarvitsemme moderneja tarinoita tästä ajasta”
Taiteiden ja suunnittelun korkeakoulun Vuoden alumniksi 2026 valittu käsikirjoittaja Anna Brotkin uskoo paikallisuuden voimaan ja toivon merkitykseen kriisiaikoina.