EN

Suprajohtava saareke miljoonakertaisti valon työntövoiman

28.4.2015

Heijastuessaan peilipinnasta valo työntää hieman peiliä. Tätä työntövoimaa voidaan kasvattaa merkittävästi pienen suprajohtavan saarekkeen avulla, osoittaa Aalto-yliopiston, Jyväskylän ja Oulun yliopiston tutkimus. Löydös avaa tien yhden fotonin eli valokvantin tasolla tapahtuvalle mekaanisten värähtelyiden kvanttiominaisuuksien tutkimukselle. Tutkimus on julkaistu Nature Communications -lehdessä.

Tavallisissa arkipäivän tilanteissa valon säteilypaineen voi jättää huomiotta. 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.

"Mitattavia ilmiöitä on saatu näkyviin vasta kun värähtelijään osuu miljoonia fotoneita", ilmiön teoriapuolta selvittänyt tutkijatohtori Jani Tuorila Oulun yliopistosta kertoo.

Nyt julkaistussa kokeellista ja teoreettista fysiikkaa yhdistävässä työssä tutkijat osoittivat, miten säteilypainekytkentää voidaan merkittävästi kasvattaa. He rakensivat sähkömagneettisen kentän ja värähtelijän väliin suprajohtavan saarekkeen välittämään näiden välistä vuorovaikutusta. 

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

Tutkijat pystyivät vaikuttamaan merkittävästi säteilypainekytkentään.  

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

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.

Tutkimus mahdollistaa kvantti-ilmiöiden havaitsemisen entistä suuremmista rakenteista. Sen avulla voidaan siten tutkia, miten isoissa rakenteissa kvanttimekaniikan lainalaisuudet pätevät – eräiden väitteiden mukaan teoria toimii ainoastaan hyvin pienissä kappaleissa. Ylärajaa pätevyysalueelle ei kuitenkaan ole pystytty osoittamaan – vielä.

Tutkimustyö tehtiin Suomen Akatemian Matalien lämpötilojen kvantti-ilmiöiden ja komponenttien huippuyksikössä. Sitä tuki myös Euroopan tiedeneuvosto.
 
Linkki artikkeliin: 
http://www.nature.com/ncomms/2015/150427/ncomms7981/abs/ncomms7981.html 

Viite: J.-M. Pirkkalainen, S.U. Cho, F. Massel, J. Tuorila, T.T. Heikkilä, P.J. Hakonen, and M.A. Sillanpää, Cavity optomechanics mediated by a quantum two-level system, Nature Communications 6, 27.4.2015.

Lisätietoja

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

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

Tutkijatohtori Jani Tuorila, jani.tuorila@oulu.fi; +358 2 9448 1881 Molekyylimateriaalien tutkimusyksikkö/teoreettinen fysiikka, Oulun yliopisto

Viimeksi muokattu 5.5.2015
Seuraa meitä:
FacebookSlideshareTwitterYoutube
VAIHDE 029 533 5000
KIRJAAMO 029 533 5049
FAKSI 029 533 5299
   
SÄHKÖPOSTI etunimi.sukunimi@aka.fi
AUKIOLO Arkisin 8.00-16.15
   
HENKILÖHAKU »
YHTEYSTIEDOT, LASKUTUS  JA
REKISTERISELOSTEET»
KYSYMYKSET JA PALAUTE »