Turkulaistutkijat paljastivat uuden kvantti-ilmiön atomikaasuissa lähellä absoluuttista nollapistettä


Vedyn tiheyden ylittäessä kriittisen pisteen magnonien tiivistyminen kvanttimekaaniselle perustilalle näkyy magnonien spektrissä hyvin kapeana ja korkeana piikkinä. Kuvassa tiivistymän aiheuttama piikki näkyy punaisena korkeamman vetytiheyden alueella.

Tutkijatohtori Otto Vainion mukaan matalat lämpötilat ovat aineen ja kvanttimekaniikan kohtaamispaikka, jossa uudet löydöt parantavat ymmärrystämme luonnonlakien toiminnasta.

– Fysiikan ja tähtitieteen laitoksella havaitsimme vetykaasussa, lähellä absoluuttista nollapistettä, atomien elektronien spinien muodostavan aaltoja, joiden voimakkuutta kuvataan hiukkasen kaltaisilla magnoneilla. Yllättävää ja uutta on, että kaasussa nämä magnonit voivat muodostaa Bosen-Einsteinin kondensaatin eli tiivistymän (BEC), Vainio sanoo.

Magnonien BEC havaittiin Turussa tehdyissä kokeissa ensimmäistä kertaa maailmassa kaasumaisessa olomuodossa.

Spin on kvanttimekaniikkaan liittyvä alkeishiukkasten (elektroni, protoni, kvarkki ym.) ominaisuus.

– Sen klassinen vastine on kappaleen pyörimismäärä eli kiertoliikemäärä. Yhden elektronin spin on kuin pieni sauvamagneetti, joka pyrkii kääntymään vallitsevan magneettikentän suuntaan. Voimakkaassa magneettikentässä ja hyvin matalassa lämpötilassa vetykaasun elektronien spinit osoittavat kaikki samaan, magneettikentän määräämään suuntaan, Vainio kertoo.

Hän huomauttaa, että koska vetyatomeihin ei voi teipata nimilappua, niitä ei voi erottaa toisistaan.

– Siksi näiden atomien törmäyksissä toisistaan kimmonneet hiukkaset eivät periaatteessa eroa törmäämättömistä hiukkasista. Kvanttifysiikan mukaan törmäyksissä kuitenkin tapahtuu spinien suunnan kiertymistä tavalla, joka vaikuttaa koko kaasun käytökseen ja lopputuloksena syntyvät spinien aaltomaiset rakenteet, spin-aallot. Samankaltaisia seisovia aaltoja voi nähdä tärisevällä pöydällä olevassa vesilasissa, Vainio kertoo.

Kvanttimekaniikka ennustaa, että spin-aaltojen voimakkuudella on hiukkasmaisia piirteitä ja siksi näitä aaltoja kuvataankin kvasi- eli näennäishiukkasten avulla. Tällaisia näennäishiukkasia ovat myös muun muassa valoaaltojen voimakkuutta kuvaavat fotonit ja kiinteän aineen kiteen värähtelykvantit eli fononit.

Spin-aaltojen kvasihiukkaset, jotka tunnetaan magnoneina, luokitellaan bosoneiksi. Satyendra Nath Bose ja Albert Einstein ennustivat lähes sata vuotta sitten, että sopivissa olosuhteissa bosonit kerääntyvät yhteen kvanttitilaan menettäen yksilöllisyytensä ja muodostaen hiukkaspuuron, joka käyttäytyy kuin yksi suuri hiukkanen. Ilmiö tunnetaan Bosen-Einsteinin kondensaationa eli tiivistymänä.

Tavallisten atomien, eli todellisten hiukkasten, kondensaatio havaittiin ensimmäisen kerran vuonna 1995 ja vastaavasti ensimmäiset havainnot kvasihiukkasten kondensaatiosta raportoitiin vuonna 2006. Turun yliopistossa tehty kondensaatiohavainto on ensimmäinen, joka on tehty kaasuatomien spinien muodostamilla magnoneilla.

Magnonien kondensaatio osoittaa, että sopivissa olosuhteissa atomikaasun spinien käyttäytymistä on kuvattava yhtenä joukkona, eikä yksittäisten hiukkasten käytöksen summana.

– Samalla nähdään, että tässäkin tilanteessa kvanttimekaniikka korvaa perinteisen lämpöopin ilmiömaailman kuvaamisessa, Vainio toteaa.

Kokeelliset havainnot on tehty dosentti Sergey Vasilievin johtamassa tutkimusryhmässä, ja professori Kalle-Antti Suomisen koordinoiman Suomen Akatemian hankkeen rahoituksella. Myös Jenny ja Antti Wihurin rahaston tuki on ollut merkittävässä roolissa. Yhteistyössä on ollut mukana professori David Leen tutkimusryhmä Texasin A&M-yliopistosta.

>>Artikkeli julkaistiin 27.3. fyysikkojen arvovaltaisessa Physical Review Letters -lehdessä.

Asiasana:
Tagit:
Julkaistu 30.3.2015 12:55 ,  Päivitetty 30.3.2015 13:06

20014 Turun yliopisto, Finland
Puhelinvaihde: 029 450 5000

Henkilöhaku

Seuraa meitä: 
Facebook   Twitter   Instagram   Youtube   LinkedIn
Opiskelu Tutkimus Palvelut ja yhteistyö Yliopisto Tiedekunnat ja yksiköt Ajankohtaista Lahjoita
© Turun yliopisto