Uusia sovelluksia maailmankaikkeuden kylmimmälle aineen olomuodolle (Väitös: FM Lauri A. Toikka, 18.6.2014, teoreettinen fysiikka)
Alkaliatomeista muodostuvat Bosen-Einsteinin kondensaatit ovat niin kylmiä, ettei edes galaksienvälisen avaruuden alhainen lämpötila pystyisi ylläpitämään niitä. Huolimatta kokeellisista vaikeuksista, kondensaatit ovat lupaava alusta yleisemmälle kvanttimekaniikan ja epälineaaristen ilmiöiden ymmärtämiselle sekä sovelluksille. Lauri A. Toikan väitöstutkimuksessa valotetaan eritoten pimeiden rengassolitonien epälineaarista fysiikkaa Bosen-Einsteinin kondensaateissa.
Turun yliopiston tiedote 12.6.2014
Pimeät rengassolitonit ovat epälineaarisia kvanttitiloja, joita pystytään tarkastelemaan Bosen-Einsteinin kondensaateissa, mutta niiden kokeellinen havainto puuttuu yhä. Lauri A. Toikan väitöstutkimuksessa esitellään kaksi kokeellista menetelmää pimeiden rengassolitonien luomiseen laboratoriossa sekä tarkastellaan niiden luomista seuraavaa käytöstä ja fysiikkaa.
Tutkimuksessa selvitetään myös rengassolitonien matemaattista rakennetta. Väitöskirjassa julkaistut aiemmin tuntemattomat uudet eksaktit ratkaisut epälineaariselle Grossin-Pitaevskiin yhtälölle ovat jo herättäneet Euroopassa kansainvälistä kokeellista kiinnostusta.
Väitöskirjassa esitettävät menetelmät rengassolitonien kokeelliseen luomiseen ja vakautukseen voivat osoittautua hyödyllisiksi erityisesti atomtroniikan, atomitason elektroniikan, sovellutuksissa.
Pimeät rengassolitonit torusgeometriassa
Mitä yhteistä on tsunameilla, suprajuoksevuudella, kvanttimekaniikalla ja tietoliikenteen valokuiduilla? Tsunamit ja valokuidut ovat arkimaailmassa esiintyviä epälineaarisia solitonijärjestelmiä, kun taas kvanttimekaniikka ja sen sisältämät arkipäivän intuition vastaiset käsitteet kuten tunneloituminen vaikuttavat erittäin pienissä ja kylmissä järjestelmissä.
Tästä huolimatta, käsitteet yhdistyvät Bosen-Einsteinin kondensaateissa, jotka itsessään ovat ultrakylmiä kvanttimekaanisia kaasuja (jopa yksittäinen fotoni voi riittää lämmittämään ja haihduttamaan kondensaatin), mutta jotka epälineaarisesta fysiikastaan johtuen pystyvät ylläpitämään kvanttisolitonitiloja.
Sekä klassiset että kvanttimekaaniset solitoniaallot etenevät säilyttäen muotonsa myös törmäyksissä muiden solitonien kanssa. Solitoneja esiintyy monella fysiikan ja biologian alalla. Tsunami on yksittäinen makroskooppinen aalto, joka etenee vaimentumatta. Valokuituun voidaan peräjälkeen lähettää useita optisia solitoneja välittämään informaatiota, koska ne eivät leviä toistensa päälle ja säilyttävät muotonsa.
Bosen-Einsteinin kondensaatissa solitoni esiintyy tiheyden muutoksena. Pimeä solitoni muodostuu atomien harventumasta, kun taas kirkas solitoni koostuu taustaa suuremmasta tiheydestä atomeja. Kiertämällä pimeä solitoni renkaaksi saadaan aikaan kaksiulotteisessa järjestelmässä ympyränmuotoinen rotko kondensaatin atomitiheyteen. Tällöin torusgeometria muodostaa luontevan pohjan pimeän rengassolitonin vangitsemiseen kondensaatissa estäen niiden säteen muuttumisen.
Tuloksilla potentiaalia kvanttiteknologian sovellutuksissa
Nykyään monet ryhmät ympäri maailman pystyvät luomaan Bosen-Einsteinin kondensaatteja lähes rutiinilla, saavuttaen vaaditun nanokelvinien lämpötilan. Erityisesti torusgeometria on ajankohtainen ja tällä hetkellä kokeellista kiinnostusta saava järjestelmä. Kehän ympäri jatkuva vaimentumaton kondensaatin virtausilmiö sekä kvantti-interferenssiin perustuvat suprajohdesovellukset ovat muutamia tärkeitä esimerkkejä yleisempään atomtroniikkaan tähtäävästä tutkimuksesta. Tällaisilla virtapiireillä on hallittuja kvanttimekaniikkaan perustuvia ominaisuuksia, mikä tekee niistä merkittävästi peruselektroniikkaa kehittyneempää teknologiaa.
Väitöskirjan tuloksilla liittyen pimeiden rengassolitonien luomiseen, olemassaoloon sekä fysiikkaan toruskondensaateissa voi tulevaisuudessa olla merkitystä atomtronisten piirien suunnittelussa ja toimintatavassa. Aineen aalto-hiukkaskaksinaisuuteen perustuen voi osoittautua myös mahdolliseksi luoda "optisia kuituja" valoaaltojen sijasta aine-aalloille, mikäli pimeä solitoni vakautetaan Bosen-Einsteinin kondensaatissa väitöskirjan tulosten mukaisesti.
***
Keskiviikkona 18. kesäkuuta 2014 kello 12 esitetään Turun yliopistossa (päärakennus, Tauno Nurmela -sali, Yliopistonmäki) julkisesti tarkastettavaksi Master of Science Lauri A. Toikan väitöskirja ”Ring Dark Solitons in Toroidal Bose-Einstein Condensates” (Pimeät rengassolitonit torus-muotoisissa Bosen-Einsteinin kondensaateissa). Virallisena vastaväittäjänä toimii professori Natalia G Berloff Cambridgen yliopistosta ja kustoksena professori Kalle-Antti Suominen.
MSc Lauri A. Toikka on syntynyt 1984 Turussa ja kirjoittanut ylioppilaaksi 2004 Turun yliopiston normaalikoulun IB-lukiosta. Master of Science -tutkinnon Toikka suoritti 2009 Cambridgen yliopistossa. Väitös kuuluu teoreettisen fysiikan alaan.