Kuvittele patteri, joka latautuu valolla eikä sähköllä. Kyse ei ole tavallisesta patterista, vaan kvanttilaitteesta, joka toimii valon ja aineen välimaastossa. Tässä välimaastossa syntyy valon ja aineen yhdistelmiä, näennäishiukkasia, jotka eivät ole puhtaasti hiukkasia eivätkä aaltoja, vaan molempia yhtä aikaa. Näitä hiukkasia kutsutaan polaritoneiksi ja niiden olemassaolo paljastaa jotakin perustavanlaatuista energian luonteesta.
Polaritonit syntyvät, kun valo ja aine vuorovaikuttavat niin voimakkaasti, etteivät ne enää toimi erillisinä. Yksi tapa hahmottaa ilmiötä on ajatella kammiota, jota valaistaan laserilla. Kammio koostuu kahdesta vastakkain olevasta peilistä, joiden väliin on sijoitettu ainetta. Laserista tullut fotoni heijastuu peilien välillä ja kohtaa aineen, joka voi imeä ja lähettää sen takaisin lähes välittömästi. Kun vuorovaikutus tapahtuu riittävän nopeasti ja toistuvasti, valo ei enää vain pompi peilien välillä, vaan alkaa jakaa energiaa aineen kanssa. Valo ja aine sulautuvat yhteiseen kvanttitilaan, jossa niiden ominaisuudet sekoittuvat toisiinsa. Tätä ilmiötä kutsutaan valon ja aineen voimakkaaksi kytkennäksi. Voimakkaan kytkennän seurauksena syntyy polaritoneja, joissa valo ja aine ovat erottamattomasti sidoksissa toisiinsa.
Kun valo ja aine kytkeytyvät voimakkaasti, syntyy ilmiöitä, joita kumpikaan ei voisi tuottaa yksinään. Yksi kvanttipatterien kannalta olennainen esimerkki on superabsorptio, jossa hiukkaset alkavat reagoida valoon yhdessä, ikään kuin yhtenä kokonaisuutena. Superabsorption ansiosta suuremmat patterit voivat latautua tehokkaammin kuin pienemmät. Patterin ollessa suurempi, hiukkasia on enemmän, jolloin useampi hiukkanen voi osallistua energian imeytymiseen ja niiden yhteisvaikutus kasvaa: energia ei enää siirry yksittäisille hiukkasille kerrallaan, vaan useammalle samanaikaisesti. Superabsorptioon perustuva periaate on polaritonisen kvanttipatterin ydin. Tällainen järjestelmä voisi teoriassa latautua nopeammin ja purkautua tehokkaammin kuin perinteiset patterit. Vaikka olemme vielä kaukana käytännön sovelluksista, ilmiö osoittaa, että energian imeytyminen ei ole pelkästään yksittäisten hiukkasten suoritus. Se voi olla myös kollektiivista, jossa yksittäiset osat yhdessä tehostavat energian siirtymistä.
Tutkimuksessani kysyn, miten valo ja aine voivat yhdessä varastoida energiaa ja millä tavoin ympäristö vaikuttaa latausprosessiin. Kvanttifysiikan ilmiöt eivät koskaan tapahdu täysin erillään ympäristöstään, vaan muodostavat niin sanottuja avoimia kvanttisysteemejä, joissa energia ja informaatio virtaavat jatkuvasti systeemin ja sen ympäristön välillä. Vuorovaikutus ympäristön kanssa määrittää pitkälti sen, miten kvanttilaite käyttäytyy, esimerkiksi kuinka tehokkaasti se pystyy latautumaan ja varastoimaan energiaa. Aineen atomit värähtelevät ja nämä värähtelyt voivat muuttaa energian kulkua koko järjestelmässä. Joskus ne häiritsevät kvanttilaitteen toimintaa, mutta toisinaan ne voivat myös tukea energiansiirtoa. Tavoitteena on ymmärtää, milloin ja miten ympäristö voi muuttua passiivisesta taustasta aktiiviseksi tekijäksi, joka joko edistää tai estää energian varastoitumista ja siirtymistä.
Sebastian Toivonen
Väitöskirjatutkija, teoreettinen fysiikka, Turun yliopisto. Tutkin polaritonisten kvanttipatterien dynamiikkaa avoimina kvanttisysteemeinä, erityisesti superabsorptiota ja energian varastointia.
