Arkijärjen vastaiset kvanttiarvet voisivat tuottaa uudenlaisia transistoreita

Tampereella kehitetty uudenlainen kvanttifysiikan arpeutumisteoria auttaa selittämään aiempia tuloksia ja osoittaa jälleen kerran sen, että vaikka kvanttimekaniikka tuntuu usein toimivan arkijärjen vastaisesti, se kuitenkin toimii. Ja hyvin.

Tutkijatohtori Perttu Luukko ja professori Esa Räsänen Tampereen teknillisestä yliopistosta tutkivat paikallisten häiriöiden vaikutusta nanomittakaavan puolijohderakenteisiin, ja huomasivat suureksi yllätyksekseen, että häiriöt tuottivatkin säännöllisiä rakenteita kvanttimekaanisiin ominaistiloihin.

Löytöä alettiin pähkäillä yhteistyössä Harvardin yliopiston, Massachusettsin teknillisen yliopiston – kuuluisan MIT:n – ja Tulanen yliopiston tutkijoiden kanssa, ja tulokset julkaistiin marraskuun lopussa Scientific Reports -artikkelisarjan numerossa.


Juttu jatkuu mainoksen jälkeen

Tarkempi tutkimus paljasti, että kyseessä on uudenlainen esimerkki kvanttiarpeutumisesta eli ilmiöstä, jossa klassisen mekaniikan mukaiset jaksolliset liikeradat jättävät jäljen vastaavan kvanttimekaanisen järjestelmän käyttäytymiselle keskeisiin niin kutsuttuihin ominaistiloihin. Häiriöiden aiheuttamat arvet ovat tavanomaista yleisempiä ja voimakkaampia, mikä raottaa ovea myös sovelluksille.

Erikoista häiriöiden aiheuttamassa arpeutumisessa on, että voimakkaita arpia muodostuu kosolti, vaikka häiriöt olisi ripotettu järjestelmään satunnaisesti.

"Arkijärjellä ajateltuna satunnaisten häiriöiden ei pitäisi tuottaa säännöllisyyttä, vaan sen vastakohtaa, satunnaista puuroa", Perttu Luukko kertoo.

"Kvanttimekaniikan ja klassisen mekaniikan välinen yhteys voi saada järjestelmän kuitenkin suosimaan säännöllisiä, klassisen fysiikan mukaisia muotoja. Tämä on hyvä uutinen sovelluksille, koska säännöllisen radan voi valjastaa käyttöön paljon helpommin kuin satunnaisen puuron, Koska arvet toimivat hiukkasten liikettä ohjaavina kanavina, aiheuttamalla arpeutumista paikalliset häiriöt vaikuttavat kvanttimekaanisten hiukkasten kulkeutumiseen yllättävällä tavalla. Tietokonesimulaatioissa hiukkasta esittävä kvanttimekaaninen aaltopaketti pysyy, arpien avustamana, paremmin radallaan kulkiessaan häiriöitä sisältävän järjestelmän läpi kuin ilman häiriöitä."

"Kvanttimekaniikka on totuttu yhdistämään monenlaisiin arkijärjen nyrjäyttäviin ilmiöihin. Nyt tähän listaan voidaan lisätä se, että hiukkaset saattavat seurata tiettyä rataa paremmin, kun niiden tielle on asetettu satunnaisesti esteitä."

Arpien hiukkasia ohjaava vaikutus saatetaan tulevaisuudessa valjastaa sovelluksiin, joissa nanomittakaavan laitteen sähkönjohtavuutta voimistetaan ja kontrolloidaan luomalla järjestelmään paikallisia häiriöitä. Yhtä lailla ilmiö saattaa jo nyt vaikuttaa paikallisia häiriöitä sisältävien kvanttijärjestelmien käyttäytymiseen, ja siten vastalöydetty teoria saattaa auttaa selittämään jo olemassa olevia tuloksia.

Luukon ja Räsäsen mukaan tie käytännön sovelluksiin on vielä pitkä, mutta se on valtaisasti lyhyempi nyt kuin ennen arpeutumisen teorian paljastamista. Tutkimusta laajennetaan nyt esimerkiksi kvanttipisteisiin, joista arpia hyödyntämällä voidaan suunnitella uuden sukupolven transistoreita.

Juttu on Tampereen yliopiston tiedote hieman editoituna.


Juttuja samasta aiheesta