Aalto-yliopiston ja Itä-Suomen yliopiston tutkijat ovat saaneet aikaan maailman nopeimman Bosen–Einsteinin kondensaatin.
Kaikkia edeltäjiään nopeammin muodostuva kondensaatti luotiin valosta ja sen kanssa vuorovaikuttavista metallielektroneista ja väriainemolekyyleista.
Fotonien energia laski ennätyksellisen nopeasti, ja kondensaatti muodostui vain muutamassa sadassa femtosekunnissa.
Kondensaatin lähettämän valon intensiteetti jakautui eri energioille Bosen ja Einsteinin ennusteen mukaisesti.
Suomalaistulokset julkaisi Nature Communications -lehti.
”Kuin yksi päivä verrattuna maailmankaikkeuden ikään”
Bosen–Einsteinin kondensaatio on kvantti-ilmiö, jossa suuri määrä hiukkasia alkaa käyttäytyä kuin ne olisivat yksi ainoa hiukkanen.
Ilmiö sai nimensä Albert Einsteinilta ja Satyendra Nath Boselta, jotka ennustivat sen 1900-luvun alussa.
Kondensaatteja on nähty monissa eri systeemeissä, kuten alkaliatomikaasuissa ja puolijohteissa, joihin on kytketty valoa.
Arkielämässä kondensaatio on tuttu ilmiö esimerkiksi kylmään juomatölkkiin kertyvästä huurteesta, joka syntyy, kun vesihöyry tiivistyy tölkin kylmään pintaan.
Samaan tapaan kvanttimaailmassa hiukkasten täytyy päästä eroon ylimääräisestä energiastaan kondensoituakseen alimpaan mahdolliseen energiatilaan. Prosessi kestää tyypillisesti millisekunneista noin pikosekuntiin eli sekunnin biljoonasosaan.
Uusi femtosekunneissa mitattu suomalaisennätys on sekuntiin verrattuna yhtä lyhyt aika kuin vuorokausi verrattuna maailmankaikkeuden ikään eli 13,8 miljardiin vuoteen.
”Mittausdatan analyysi osoitti, että energian häviäminen tapahtuu stimuloidun prosessin kautta. Toisin sanoen fotonien eli valohiukkasten vuorovaikutus molekyylien kanssa kiihtyy, kun fotonien määrä kasvaa”, kertoo tutkijatohtori Aaro Väkeväinen Aalto-yliopiston tiedotteessa.
”Tämä ilmiö johtaa hämmästyttävään nopeuteen.”
Kohti sovelluksia
Ennätyksen todentaminen oli vaikeaa, sillä parhaatkaan laboratorioissa normaalisti käytettävät kamerat eivät yllä tarvittaviin nopeuksiin. Määritys kuitenkin onnistui, kun tutkijat turvautuivat laserpulssiin.
”Kun annoimme näytteelle energiaa 50 femtosekunnin mittaisella laserpulssilla, havaitsimme kondensaatin. Mutta kun pulssin pituus oli 300 femtosekuntia, emme nähneet sitä. Tämä viittasi siihen, että kondensaatin täytyy lähteä muodostumaan alle 300 femtosekunnin aikaskaalassa”, kuvailee tohtorikoulutettava Antti Moilanen.
Kondensaatista lähtee valonsäde, jossa on suuri määrä fotoneita. Tämä auttaa erottamaan myös korkean energiatilan fotonit ja havaitsemaan niiden jakautumisen eri energiatiloille Bosen ja Einsteinin ennustamalla tavalla.
”Kondensaattimme tuottaa koherentin valonsäteen, joka on 100 000 kertaa kirkkaampi kuin ensimmäinen plasmonikondensaatti, jonka havaitsimme kaksi vuotta sitten”, kertoo akatemiaprofessori Päivi Törmä.
Törmän mukaan säteen kirkkaus helpottaa sekä kondensaattiin liittyvää perustutkimusta että sovellusten kehittämistä.
Yhdelle ryhmän tutkimuksesta syntyneelle keksinnölle on juuri myönnetty patentti. Tutkijat kehittävät esimerkiksi valaistussovelluksiin sopivaa keksintöä edelleen.
Kuva: Sofia Heikkinen, Antti Moilanen ja Päivi Törmä/Aalto-yliopisto.
