Kvanttisolmu

Maailman ensimmäiset solmut kvanttiaineessa

Jyväskylän yliopiston kvanttilaskennan professori Mikko Möttönen on yhdessä Aalto-yliopiston ja yhdysvaltalaisen Amherst Collegen tutkijoiden kanssa saanut aikaan maailman ensimmäiset solmut kvanttiaineessa. Löytö avaa uuden pelikentän kvanttimekaanisten solmujen tutkimukselle ja hyödyntämiselle.

"Fyysikot ovat esittäneet jo vuosikymmenten ajan teoreettisia ennustuksia siitä, että kvanttikentissä pitäisi voida olla solmuja, mutta kukaan ei ole ennen meitä onnistunut tekemään niitä", toteaa sekä Jyväskylän yliopistossa että Aalto-yliopistossa toimiva Möttönen.

"Nyt kun olemme todella nähneet näitä kummajaisia, pääsemme viimein tutkimaan niiden erikoisia ominaisuuksia. Erityisen merkittävää tässä on se, että löytömme on yhteydessä useisiin tutkimusaloihin, kuten kosmologiaan, fuusioenergiaan ja kvanttitietokoneisiin."

Tutkijat tekivät solmun tuomalla rakenteen sisään Bosen–Einsteinin kondensaatin sen ulkopuolelta. Ensin he alustivat kondensaatin sisäistä järjestystä kuvaavan kvanttikentän osoittamaan yhteen suuntaan, minkä jälkeen he muuttivat ulkoista magneettikenttää äkillisesti. Silloin pilven keskelle muodostui yksittäisen magneettikentän nollapiste. Sen jälkeen oli odotettava vajaa millisekunti, minä aikana magneettikenttä teki tehtävänsä ja solmu muodostui.

"Koetta varten altistimme rubidium-kondensaatin sopivasti paikassa kääntyvän magneettikentän nopeille muutoksille, minkä seurauksena solmu syntyi alle sekunnin tuhannesosassa. Oivallettuamme oikean solmimistavan ja tehtyämme ensimmäisen kvanttisolmun olemme tulleet solmujenteossa todella taitaviksi. Olemme sittemmin tehneet useita satoja kvanttisolmuja", kertoo professori David Hall Amherst Collegesta.

Eri sivilisaatiot ovat käyttäneet ja arvostaneet solmuja tuhansien vuosien ajan. Solmut ovat muun muassa mahdollistaneet tutkimusretket valtamerten yli ja inspiroineet mitä hienoimpia koriste- ja kuviomalleja. Inkat käyttivät quipu-nimistä solmujärjestelmää tietojen kirjaamiseen. Nykyaikana solmuilla on katsottu olevan merkittävä rooli luonnon kvanttimekaanisissa perusteissa, vaikka niitä ei ole aikaisemmin nähty kvanttidynamiikassa.

Arkielämässä solmuja tehdään tavallisesti kaksipäisiin naruihin tai köysiin. Tällainen solmu ei ole kuitenkaan matematiikan määritelmän mukaan topologisesti stabiili, sillä se voidaan avata narua leikkaamatta. 

Stabiilin solmun päät on pakotettu yhteen. Solmun paikkaa narussa voidaan siirtää mutta solmua ei voida avata leikkaamatta narua.

Toisin kuin solmussa oleva naru tutkijoiden aikaansaamat kvanttisolmut muodostuvat kenttään, jolla on kussakin paikassa tietty suunta. Solmussa oleva kenttä voidaan kuvata lukemattomalla määrällä toisensa läpäiseviä renkaita, joiden kohdalla kentällä on tietty suunta. 

Otsikkokuvassa on visualisointi tutkijoiden muodostaman kvanttisolmun rakenteesta. Jokainen värillinen nauha edustaa joukkoa lähekkäisiä solmulla olevan kvanttikentän suuntia. 

Kukin nauha on kiertynyt itsensä ympäri ja ympäröi muut nauhat kerran. Suunta on sama yksittäisen renkaan kohdalla, mutta vaihtuu renkaasta toiseen. Näin syntyvä rakenne on topologisesti stabiili, sillä sitä ei voi purkaa rikkomatta renkaita. Toisin sanoen solmua ei voi avata supranesteessä ilman, että samalla tuhotaan kvanttiaineen tila.

Alla on kokeellisia kuvia supranesteestä solmimisprosessin aikana. Solmimisaika etenee vasemmalta oikealle. Kirkkaus kertoo hiukkastiheyden, joka vastaa kentän ylös- tai alaspäin osoittavaa suuntaa. Oikeanpuolimmaisessa ruudussa näkyvät mustat renkaat tuovat esiin otsikkokuvassa näkyvän värikkään toruksen, jossa kentän suunta osoittaa sivulle.

Kvanttisolmuja supranesteessä

Matematiikan näkökulmasta nyt aikaansaatu kvanttisolmu muodostaa Hopfin säikeistyksenä tunnetun kuvauksen, jonka Heinz Hopf löysi vuonna 1931. Hopfin säikeistystä tutkitaan fysiikassa ja matematiikassa yhä laajasti. Nyt se on ensimmäistä kertaa havaittu kokeellisesti kvanttikentässä.

"Työmme ei ole päätepiste vaan alku kvanttisolmujen tarinalle luonnossa. Olisi hienoa nähdä vielä monimutkaisempia kvanttisolmuja, kuten solmuja, joiden ydin on solmussa", kertoo Möttönen.

"Lisäksi olisi tärkeää muodostaa kvanttisolmuja olosuhteissa, joissa kvanttiaineen tila olisi luontaisesti stabiili. Tällaisessa järjestelmässä olisi mahdollista tutkia tarkasti itse solmun stabiiliutta."

Tutkimuksesta kerrottiin Jyväskylän yliopiston tiedotteessa, johon uutisemme perustuu, ja se on julkaistu Nature Physics -tiedelehdessä

Kuvat: David Hall