laser

Pelkkä valo voi kumota gravitaation

Ke, 03/20/2019 - 11:32 By Markus Hotakainen
Kappaleita levitoimassa

Toistaiseksi ajatus on vielä teorian asteella, mutta tutkijat ovat luottavaisia, että tekniikkaa voidaan soveltaa jopa tähtienvälisten luotainten vauhdittamiseen

Caltechissa (California Institute of Technology) on suunniteltu nanopinnoite, jonka ansiosta esineitä voidaan leijuttaa ja liikutella ilmassa pelkän valon avulla.

Jo 1980-luvulla kehitettiin optiset pinsetit, joilla voidaan käsitellä hyvin pieniä hiukkasia tai vaikka viruksia. Niiden toiminta perustuu tarkkaan kohdistetun lasersäteen säteilypaineeseen. Pinsettien kehittäjä Arthur Ashkin sai keksinnöstään fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 2018.

Optisilla pinseteillä pystytään kuitenkin siirtelemään ainoastaan hyvin pieniä kohteita ja ne toimivat vain hyvin lyhyillä etäisyyksillä. Caltechissa kehitetyn tekniikan avulla esineiden koko voi olla mikrometreistä jopa metreihin.

Keskeinen tekijä uudessa tekniikassa on nanopinnoite, joka vuorovaikuttaa valon kanssa siten, että esine pysyy tiukasti valonsäteessä, vaikka jokin tekijä häiritsisi sitä. Silloin ei enää tarvita tarkkaan kohdistettua lasersädettä ja valonlähde voi olla miljoonien kilometrien päässä.

”Olemme kehittäneet menetelmän, jolla voidaan leijuttaa makroskooppisia kappaleita”, toteaa tutkimusta johtanut Harry Atwater.

”Mielenkiintoinen sovellus on käyttää tekniikkaa uuden sukupolven avaruusluotainten vauhdittamiseen. Käytännön toteutukseen on vielä pitkä matka, mutta olemme parhaillaan kehittämässä periaatteen testaamista.”

Teoriassa avaruusluotaimessa voitaisiin käyttää uudenlaista nanopinnoitetta ja antaa sille vauhtia Maassa sijaitsevalla laserlähteellä. Koska luotaimen ei tarvitsisi kuljettaa mukanaan polttoainetta, sillä olisi mahdollista päästä hyvin suuriin, jopa relativistisiin nopeuksiin – eli huomattavaan osaan valon nopeudesta – ja matkata toisiin tähtiin.

Aurinko- tai valopurjetta on kaavailtu aiemminkin ultrakevyiden luotainten ”voimanlähteeksi” ja esimerkiksi Stephen Hawkingin ja Juri Milnerin vuonna 2016 käynnistämässä Breakthrough Starshot -projektissa tavoitteena on lähettää valopurjeen vauhdittamana tuhat muutaman gramman painoista StarChip-luotainta kohti Proxima Centauria. Huippunopeus olisi peräti 20 prosenttia valon nopeudesta eli noin 60 000 kilometriä sekunnissa.

Uudenlaisen nanopinnoitteen mahdollistamasta valoleijunnasta kerrottiin Caltechin uutissivuilla ja tutkimus on julkaistu
Nature Photonics -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Ognjen Ilic & Harry Atwater

Onnittelusoitto fysiikan tämän vuoden Nobel-palkinnosta lähti kolmelle lasertutkijalle

Ti, 10/02/2018 - 14:21 By Toimitus
Nobel-puhelin

Tutkijapiireissä odotetaan tällä viikolla soittoa Tukholmasta, ja niinpä Nobel-säätiö julkaisi tänään twitter-tilillään kuvan puhelimesta, mistä soitto lähtee tai soitot lähtevät. Puhelin soi tänään puoleltapäivin Tukholman aikaa kolmessa paikassa: onnittelusoiton saivat Arthur Ashkin, Gérard Mourou ja Donna Strickland.

Donna Strickland on vasta kolmas fysiikan Nobelin saanut nainen. Hänen edeltäjiään ovat vuonna 1963 palkinnon saanut Maria Goeppert-Mayer ja kaikkien (?) naisfyysikoiden esikuva, legendaarinen Marie Curie, joka sai palkintonsa vuonna 1903.

Meidän täytyy onnitella kaikkia naisfyysikoita, koska heitä on olemassa ... minulla on kunnia olla yksi heistä", totesi Strickland puhelun saadessaan.

Palkinto tulee juuri sopivasta CERNissä olevan pienen skandaalin jälkeen. Italialainen, hiukkastutkimuslaitoksen kanssa yhteistyössä oleva Alessandro Strumia oli todennut, että fysiikka on miesten tekemää, eikä naisilla siinä ole oikeastaan osaa. Hän sai luonnollisesti tästä typeryydestä punaisen kortin.

Naisasiaksi tätä Nobel-palkintoa ei kuitenkaan kannata kääntää, sillä kyse on isommasta asiasta.

Tai siis pienemmästä: voittajakolmikko on tehnyt tärkeää työtä pienten, lyhyiden ja hyvin voimakkaiden laserpulssien parissa. Tätä tekniikkaa käytetään nykyisin laajalti teollisuudessa ja lääketieteessä, ja se on avannut kokonaan uusia mahdollisuuksia näissä.

Palkinto siis jaettiin kolmen kesken. 

Puolet yhdeksän miljoonan Ruotsin kruunun (heikon kruunun vuoksi vain noin 870 000 euroa) saa Arthur Ashkin ja toisen puolen jakavat Gérard Mourou ja Strickland.

Jo 96-vuotias konkari, amerikkalainen Ashkin on kehittänyt optisia puristimia, tai laserpinsettejä, jotka pitävät atomeja, hiukkasia ja molekyylejä kiinni lasereilla. Näiden avulla voidaan tutkia ja käsitellä muun muassa viruksia, bakteereita ja muita eläviä soluja ilman, että ne vahingoittuvat. 

Hän on tehnyt tätä tutkimustaan ennen kaikkea (nykyisin Nokian omistuksessa olevassa) Bell-laboratoriossa ja Lucent Technologies -yhtiössä.

ENSTA ParisTechissä, Ranskan kansallisessa edistyneiden tekniikoiden tutkimuskeskuksessa työskentelevä Mourou ja hänen kanadalainen oppilaansa Strickland keksivät puolestaan tavan synnyttää hyvin lyhyitä ja kirkkaita laserpulsseja, jotka ovat erityisesti käytössä silmäkirurgiassa.

Jokainen silmälaseistaan laserleikkauksella eroon päässyt voi siis ajatella lämmöllä Mourouta ja Stricklandia – sekä tämänvuotista fysiikan Nobelia yleisesti.

Tähän ei pysty edes Ringo Starr – kvanttirumpu soi ja on soimatta yhtä aikaa

Ke, 05/23/2018 - 12:18 By Markus Hotakainen

Brittiläis-australialaisen tutkijaryhmän tulokset saavat huippurumpalitkin kalpenemaan kateudesta. Valosta tehty rumpukapula saa mikroskooppisen instrumentin värähtelemään samaan aikaan kuin se ei värähtele.

Tutkimus ei kuitenkaan liity musiikkiin vaan pyrkimyksiin ymmärtää klassisen fysiikan ja kvanttimaailman hämmentävää rajaa.

Kvanttimekaniikassa esimerkiksi "kappaleilla" havaitaan samanaikaisesti sekä hiukkasten että aaltojen ominaisuuksia, mutta makromaailmassa moiset kummallisuudet katoavat. Miksi?

Ehkä siksi, että ne eivät sittenkään katoa tyystin. Tuoreessa tutkimuksessa on onnistuttu saamaan aikaan kvanttikäyttäytymistä esineessä, joka on mahdollista nähdä paljain silmin – jos kohta juuri ja juuri.

"Tällaisten järjestelmien avulla on todennäköisesti mahdollista kehittää uutta kvanttitehostettua tekniikkaa, kuten huipputarkkoja ilmaisimia ja uudenlaisia muuntajia", arvelee tutkimusta johtanut Michael Vanner Lontoon Imperial Collegesta.

"Jännittävää on, että tarkastelemalla, miten kvanttisuperpositio toimii suuremmassa mittakaavassa, voimme myös testata kvanttimekaniikan äärimmäisiä rajoja."

Kun rumpua lyö kapulalla, rumpukalvo alkaa värähdellä, jolloin syntyy korvin kuultava ääni. Kvanttimaailmassa rumpu voi värähdellä ja pysyä paikallaan samanaikaisesti. Käytännössä moisen ristiriitaiselta kuulostavan ilmiön toteuttaminen ei kuitenkaan ole helppoa.

"Jotta pienessä rummussamme saa aikaan kvanttivärähtelyjä, tarvitsemme erikoisen rumpukapulan", toteaa tutkimukseen osallistunut Martin Ringbauer Queenslandin yliopistosta Australiasta.

Kvanttirummutuksessa käytettiin hyväksi viime vuosina nopeasti kehittynyttä kvantti-optomekaniikkaa: "rumpukapulana" lasersäde. Se oli kuitenkin helpommin sanottu kuin tehty.

Ringbauerin mukaan kokeessa sovellettiin optisesta kvanttilaskennasta lainattua kikkaa. "Muokkasimme rumpukapulan ominaisuuksia tekemällä mittauksia yksittäisistä valohiukkasista eli fotoneista. Sillä pääsimme kehittämään mekaanista versiota Schrödingerin kissasta eli rumpua, joka samanaikaisesti värähtelee ja on liikkumatta."

Koejärjestelyä häiritsivät lämpöliikkeen korostamat klassisen fysiikan ilmiöt, joten jatkotutkimuksessa on tarkoitus alentaa lämpötila lähelle absoluuttista nollapistettä, jolloin kvanttimekaniikka muuttuu hallitsevaksi.

Perimmäisenä tavoitteena on selvittää mahdollisia kvanttimekaniikan ennestään tuntemattomia ominaisuuksia ja kehittää kenties teoria, joka yhdistää kvanttimaailman ja gravitaation.

Kvanttirummusta kerrottiin Lontoon Imperial Collegen uutissivuilla ja tutkimus on julkaistu New Journal of Physics -tiedelehdessä.

Kuva: Imperial College London

Outoa lasersäteilyä – onko Muurahaissumussa muukalaisia?

Pe, 05/18/2018 - 12:55 By Markus Hotakainen

Muurahaissumu on tähden kuolinkouristuksissa avaruuteen puhaltunut kaasupilvi. Uusien havaintojen mukaan tähtiruumiin rinnalla piileksii toinen tähti – alieneita ei löytynyt tälläkään kertaa.

Muurahaissumu eli Menzel 3 on eteläisellä taivaalla Kulmaviivoittimen tähdistön suunnassa noin 8 000 valovuoden etäisyydellä sijaitseva planetaarinen sumu. Se on syntynyt Auringon kokoluokkaa olevan tähden puhaltaessa uloimmat kerroksensa avaruuteen, jolloin jäljelle on jäänyt suunnilleen maapallon kokoinen valkoinen kääpiö.

Euroopan avaruusjärjestön Herschel-avaruusteleskoopilla tehtyjen infrapunahavaintojen perusteella Muurahaissumusta tulee lasersäteilyä. Vastaavanlaisia kohteita tunnetaan vain muutama, sillä avaruudessa lasersäteilyn synty edellyttää aivan tietynlaisia olosuhteita.

Mielenkiintoinen yhteensattuma on, että Muurahaissumun 1920-luvulla löytänyt ja luetteloinut Donald Menzel esitti aikoinaan, että tällaisissa kaasupilvissä voi esiintyä valon vahvistusta säteilyn stimuloidun emission avulla – eli lasersäteilyä. Silloin laseria ei ollut vielä saatu toimimaan laboratoriossakaan.

"Havaitsimme hyvin harvinaista laseremissiota, jonka selittyy vedyn rekombinaatiolla", kertoo tutkimusta johtanut Isabel Aleman.

Tällaista lasersäteilyä voi syntyä ainoastaan olosuhteissa, joissa tähden lähellä on hyvin tiheää kaasua. Havaintojen ja laskennallisten mallien vertailu osoittaa, että tiheyden on oltava noin 10 000 kertaa suurempi kuin yleensä planetaarisissa sumuissa ja myös Muurahaissumun ulommissa osissa.

Yleensä planetaarisen sumun keskellä olevan kuolleen tähden ympäristö on tyhjää täynnä. Ulospäin puhaltunut kaasu on karannut avaruuteen ja jos jotain on jäänyt jäljelle, valkoinen kääpiö on vetänyt sen gravitaatiollaan puoleensa.

"Ainoa mahdollisuus näin tiheän kaasun esiintymiselle lähellä tähteä on sitä ympäröivä kiekko. Olemmekin havainneet sumun keskellä tiheän kiekon, joka näkyy sen tason suunnasta. Asento selittää osaltaan lasersignaalin voimakkuuden Maasta katsottuna", selittää tutkimukseen osallistunut Albert Zijlstra.

"Kiekon olemassaolosta voidaan päätellä, että valkoisella kääpiöllä on tähtikumppani, sillä kaasun päätymistä sitä kiertävään kiekkoon on vaikea selittää ilman seuralaisen vaikutusta. Lasersäteilyn ansiosta voimme tarkastella ainutkertaisella tavalla planetaarisen sumun keskellä olevaa kuollutta tähteä ympäröivää kiekkoa."

Löydöstä kerrottiin Manchesterin yliopiston uutissivuilla ja tutkimus on ilmestynyt Monthly Notices of the Royal Astronomical Society -tiedejulkaisussa (maksullinen).

Kuva: NASA/ESA/Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Coloradossa kokeiltiin uutta tekniikkaa – onko fuusiovoimala lähempänä toteutumistaan?

Ti, 03/20/2018 - 15:02 By Markus Hotakainen

Ydinfuusion kaupallisen hyödyntämisen kohtalo tuntuu olevan jokseenkin sama kuin miehitetyn Mars-lennon: kumpikin on pysyvästi kahden- tai kolmenkymmenen vuoden päässä tulevaisuudessa.

Pienemmässä mittakaavassa fuusiotutkimus kuitenkin etenee. Coloradon yliopistossa on tehty kokeita voimakkailla laserpulsseilla, jotka on kohdistettu mikroskooppisen pienistä, 200 nanometrin läpimittaisista langoista muodostuvaan kohtioon.

Tuloksena on ollut ennätyksellisen tehokas neutronien tuotto. Räjähdysmäisessä fuusiossa vapautui neutroneja 500 kertaa enemmän kuin vastaavissa kokeissa, joissa kohtiona on käytetty samankaltaista materiaalia, mutta yhtenäisenä kiinteänä kappaleena.

Tutkijat rakensivat ultralyhyitä pulsseja lähettävän laserlaitteiston itse. Kohdemateriaaliksi he valitsivat deuteroidun polyetyleenin. Siinä tavallisen polyetyleenin vetyatomit on korvattu raskaalla vedyllä eli deuteriumilla, jonka ytimessä on protonin lisäksi myös neutroni.

Tiuhaan ammutut laserpulssit saivat langat kuumenemaan hyvin nopeasti, jolloin ne vapauttivat deuteriumiin sitoutuneet neutronit.

Jorge Roccan johtama tutkimus ei sinänsä liity fuusiovoimalan kehittämiseen, vaikka laserpulssien kuumentamat nanolangat muuttuivatkin silmänräpäyksessä plasmaksi, kuumaksi sähköä johtavaksi aineeksi, jollaista tulevien voimaloiden – ja tähtien – polttoaine on.

Mikrotason fuusion avulla voidaan kuitenkin tuottaa tehokkaasti neutroneja, joilla on käyttöä erilaisissa kuvantamismenetelmissä sekä erilaisten materiaalien rakenteen ja ominaisuuksien tutkimuksessa.

Kokeen avulla saadaan myös tietoa hyvin voimakkaan laservalon ja aineen vuorovaikutuksesta. Sillä saattaa olla sovelluksia jopa fuusiovoimalatekniikassa, sillä plasman kuumentamiseen voidaan käyttää suurteholasereita.

Tutkimuksesta kerrottiin Coloradon valtionyliopiston uutissivuilla ja se on ilmestynyt Nature Communications -tiedejulkaisussa.

Kuvat: Advanced Beam Laboratory

Todella outoa: laservalo syntyy kaaoksesta

To, 03/08/2018 - 23:49 By Toimitus

Ultralyhyen laserpulssin syntyhetki on pystytty havaitsemaan ensimmäistä kertaa – ja tulos on hyvin jännä. Tampereen teknillisen yliopiston fotoniikan tutkijat olivat mukana hankkeessa, jonka tulokset julkaistiin juuri Nature Photonics -lehdessä.

Ultralyhyen aallonpituuden laserit ovat kriittisiä komponentteja muun muassa monissa tietoliikenteen ja teollisen tuotannon prosesseissa.

Niiden kehittäminen on johtanut fysiikan Nobelin palkintoihin, mutta siitä huolimatta niiden synty on silti yhä edelleen arvoitus: miten ihmeessä laser kykenee tuottamaan niin kirkkaan valonvälähdyksen?

Asiaa on tutkittu jo 1960-luvulta alkaen. Silti vasta nyt on ollut tullut mahdolliseksi todistaa laserpulssin syntyhetki ja nähdä kuinka se muodostuu kohinasta.

"Ultralyhyiden laserien tutkiminen on haasteellista, koska ne tuottavat tyypillisesti enintään pikosekunnin mittaisia pulsseja", kertoo professori Goëry Genty, joka valvoi tutkimusta Tampereen teknillisen yliopiston (TTY) fotoniikan laboratoriossa.

"Optiset mittaustekniikat eivät ole kyenneet mittaamaan laserin vakaantumista edeltäviä monimutkaisia dynaamisia prosesseja ja ultralyhyiden pulssien satoja (joskus tuhansia) purkauksia." 

Tuoreessa Nature Photonics -lehdessä julkaistu tutkimus näyttää selvästi, kuinka laserpulssi kehittyy kohinasta kuin tyhjästä ja värähtelee voimakkaasti ennen vakaantumistaan. Tulokset tuottavat uutta tietoa laserpulssien toiminnasta ja niillä on vahvaa tieteidenvälistä sovellettavuutta.

"Kyseessä on esimerkki ns. dissipatiivisesta solitonijärjestelmästä, joka on yksi epälineaarisen tieteen peruskäsitteistä ja jota voidaan soveltaa muun muassa biologian, lääketieteen ja ehkä jopa yhteiskuntatieteiden alueilla", sanoo professori John M. Dudley, joka ohjasi tätä ranskalaisessa Bourgogne-Franche-Comtén yliopistossa tehtyä tutkimustyötä.  

Erityinen tieteellinen edistysaskel, joka mahdollisti kyseisen tutkimuksen, on laserin ajallisen intensiteetin reaaliaikainen mittaus alle pikosekunnin tarkkuudella sekä laserin spektrin mittaaminen alle nanometrin tarkkuudella.

Tarkkailemalla näitä ominaisuuksia samanaikaisesti tutkijat onnistuivat kehittämään edistyneen laskennallisen algoritmin, joka tunnistaa laserin sähkömagneettisen kentän ominaisuudet.

Professori Goëry Genty työskentelee Tampereen teknillisessä yliopistossa fotoniikan laboratoriossa.
Professori Goëry Genty kuvattuna Tampereen teknillisen yliopiston fotoniikan laboratoriossa.

 

Ryhmään kului tutkijoita Tampereen teknillisen yliopiston fotoniikan laboratoriosta ja ranskalaisesta FEMTO-ST –instituutista (CNRS ja Bourgogne-Franche-Comtén yliopisto). Kun tutkijat rekonstruoivat sähkömagneettisen kentän syntymistä, he havaitsivat kohinasta laajaa vuorovaikutusta dissipatiivisten solitonijärjestelmien välillä.

"Käytimme tutkimusmenetelmää, joka toimii alhaisilla tehotasoilla ja korkeissa nopeuksissa. Ryhmämme todisti ensimmäistä kertaa muun muassa dissipatiivisten solitonien välisiä törmäyksiä ja yhteensulautumisia", Genty selittää.

Tutkijat uskovat, että tulokset parantavat ultralyhyiden lasereiden suunnittelua ja suorituskykyä.

"Tämä on kiehtova tutkimusalue, jossa perustutkimuksesta lähtevillä kysymyksillä on todellista käytännön merkitystä tulevaisuuden fotoniikan kehittämisessä", uskoo Dudley Tampereen teknillisen yliopiston tiedotteessa, mihin tämäkin artikkeli pohjautuu käytännössä suoraan.

Kosmista kuurupiiloa: avaruuden muukalaisia voi harhauttaa laserilla

La, 04/02/2016 - 09:42 By Markus Hotakainen
Lasersäde avaruuteen

"Älkää herran tähden vastatko!" tokaisi Zdenek Kopal, kun häneltä kysyttiin, mitä pitäisi tehdä, jos kosminen puhelin soi.

Stephen Hawking on puolestaan varoitellut, ettei ihmiskunnan pitäisi kuuluttaa olemassaoloaan kaikelle maailmankaikkeudelle: alienit voivat kuulla ja tulla käymään. Eivätkä välttämättä ystävällisin aikein.

David Kipping ja Alex Teachey ovat kehittäneet keinon pysyä piilossa avaruuden muukalaisilta, jopa kehittyneiltä sellaisilta. 

Liki kahdestatuhannesta tunnetusta eksoplaneetasta valtaosa on löydetty ylikulkutekniikalla eli tarkkailemalla tähtien kirkkauksia siltä varalta, että niiden editse kulkevat kiertolaiset himmentävät aavistuksen niiden valoa. On täysin mahdollista, että vieraat sivilisaatiot - mikäli sellaisia on - etsivät muita planeettakuntia samalla menetelmällä.

Sillä tavoin on helppo löytää planeettoja ja selvittää kiertävätkö ne tähteään elinkelpoisella vyöhykkeellä. Jos kiertävät, niiden pinnalla voi olla vettä nestemäisessä muodossa, ja se taas on oletusten mukaan keskeinen edellytys elämän synnylle ja kehittymiselle.

Kippingin ja Teacheyn kehittämällä menetelmällä on mahdollista piiloutua alieneiden etsintäyrityksiltä. Voimakkaalla lasersäteellä voidaan korvata valo, joka Auringon säteilystä hetkeksi vähenee, kun Maa kulkee kaukaiselta planeetalta katsottuna oman päivätähtemme editse.

Tutkijakaksikon mukaan näkyvän valon alueella toimiva 30 megawatin laser, joka sytytetään kerran vuodessa 10 tunnin ajaksi, riittäisi hämäämään mahdollisia avaruuden astronomeja. Moisen virityksen energiantarve olisi samaa luokkaa kuin Kansainvälisen avaruusaseman aurinkopaneelit keräävät vuoden aikana.

Niin sanottu "kromaattinen katve", joka kattaisi kaikki aallonpituudet, on paljon vaativampi. Se edellyttäisi laserjärjestelmää, joka kuluttaa energiaa 250 megawattia vuodessa.

"Toinen vaihtoehto on, että piilotamme ainoastaan ilmakehän aiheuttaman signaalin, jossa näkyy merkkejä biologisesta toiminnasta, kuten jälkiä hapesta. Silloin tarvittava laserteho olisi ainoastaan 160 kilowattia ylikulkua kohti. Maa näyttäisi vieraan sivilisaation silmissä planeetalta, jolla elämä ei ole koskaan saanut jalansijaa", arvioi Teachey.

Ongelmana on se, että laser pitäisi arvata suunnata kohti tähteä, jota vieraan sivilisaation asuttama planeetta kiertää. Ja siitä meillä ei ole aavistustakaan. Periaatteessa riittäisi kuitenkin pitää laser suunnattuna Maasta katsottuna täsmälleen poispäin Auringosta, koska sillä puolella taivasta sijaitsevilta eksoplaneetoilta katsottuna Maa näyttää kulkevan Auringon editse. 

Menetelmää voi käyttää myös vastakkaiseen tarkoitukseen eli kertomaan tarkoituksella olemassaolostamme. Laserin avulla olisi mahdollista muokata ylikulun aikana tapahtuvaa kirkkauden pienenemistä ja välittää sillä tavoin jopa informaatiota.

Ja jos ajatusta tarkastelee vielä yhdestä näkökulmasta, avaruuden muukalaiset ovat saattaneet saada saman idean. Kippingin ja Teacheyn mielestä SETI-tutkimusta kannattaisi laajentaa radioaallonpituuksien ”kuuntelusta” keinotekoisten ylikulkusignaalien etsintään.

Kosmisesta piilottelusta kerrottiin Royal Astronomical Societyn uutissivuilla ja tutkimus on julkaistu seuran Monthly Notices -tiedelehdessä.

Kuva: ESO/G. Hüdepohl

Laser päihittää Auringon kuumuudessa

Ti, 11/17/2015 - 00:06 By Markus Hotakainen
Auringon aktiivista pintaa

Miltä kuulostaisi laser, joka kuumentaa aineen Aurinkoa kuumemmaksi ainoastaan 20 kvadriljoonasosasekunnissa? Eikä kyse ole päivätähtemme pinnasta ja muutamasta tuhannesta asteesta, vaan Auringon keskuksesta ja miljoonista asteista.

Lontoon Imperial Collegen teoreetikot ovat kehittäneet huippunopean kuumennusmenetelmän, jolla lämpötila pystytään nostamaan kymmeneen miljoonaan asteeseen sekunnin miljoonasosan miljoonasosassa.

Nyt menetelmä pitäisi vain saada toimimaan muuallakin kuin supertietokoneen laskelmissa. Jos siinä onnistutaan, keksinnöllä voi olla suuri merkitys fuusiovoiman kehittämisessä. Se päihittäisi nopeudessa nykyiset menetelmät satakertaisesti.

Suurteholasereita on perinteisesti käytetty fuusiotutkimuksessa aineen kuumentamiseen. Tuoreessa tutkimuksessa tavoitteena oli löytää keino, jolla voitaisiin kuumentaa ioneja suoraan, sillä ne muodostavat suurimman osan aineesta.

Useimpia materiaaleja kuumennettaessa laserin energia nostaa ensin kohdeaineen elektronien lämpötilan. Vasta sitten elektronit alkavat kuumentaa ioneja, jolloin koko prosessi on paljon hitaampi verrattuna ionien suoraan kuumentamiseen.

Imperial Collegen tutkijaryhmä totesi, että kohdistettaessa suurteholaser tietynlaiseen aineeseen se saa aikaan sähköstaattisen shokkiaallon, joka kuumentaa ioneja.

"Tulos oli täysin odottamaton. Yksi fuusiotutkimuksen ongelmista on ohjata laserin energia oikeaan paikkaan oikealla hetkellä. Tällä menetelmällä energia saadaan suoraan ioneihin", kehuu Arthur Turrell.

Tavallisesti laserilla aikaansaadut sähköstaattiset shokkiaallot työntävät ioneja edellään, jolloin niiden nopeus kasvaa, mutta lämpötila ei nouse. Supertietokoneella tehdyn mallinnuksen avulla tutkijat totesivat, että jos aineessa on sopiva yhdistelmä ioneja, niiden nopeudet kasvavat eri tavoin.

Se saa aikaan kitkaa, joka puolestaan nostaa nopeasti ionien lämpötilaa. Laskelmien mukaan ilmiö on voimakkaimmillaan kiinteissä aineissa, joissa on kahdenlaisia ioneja, esimerkiksi muoveissa.

"Kaksi ionilajia toimivat kuin tulitikut ja tikkuaski; kumpiakin tarvitaan", selittää tutkimukseen osallistunut Mark Sherlock. "Nippu tulitikkuja ei syty itsekseen – tarvitaan kitkaa, jota syntyy, kun tikut raapaistaan askin kylkeen."

"Itsessään oli jo yllätys, että kohteena käytettävällä materiaalilla oli niin suuri merkitys", lisää ryhmään kuulunut Steven Rose. "Aineissa, joissa on ainoastaan yhtä ionilajia, ilmiötä ei esiinny lainkaan."

Kuumeneminen tapahtuu huippunopeasti, koska kohdemateriaali on hyvin tiheää. Ionit puristuvat yhteen lähes kymmenkertaiseen tiheyteen tavalliseen kiinteään aineeseen verrattuna. Sähköstaattisen shokkiaallon aiheuttama kitkaefekti on silloin paljon voimakkaampi kuin esimerkiksi harvemmassa kaasussa. 

Jos menetelmä saadaan toimimaan myös käytännön tasolla, se olisi kaikkien aikojen nopein kuumennuskeino suurelle hiukkasmäärälle.

"Kun atomit törmäävät toisiinsa LHC-kiihdyttimen kaltaisissa laitteissa, tapahtuu vielä nopeampia lämpötilan muutoksia, mutta törmäykset tapahtuvat yksittäisten hiukkasten välillä", toteaa Turrell. 

Tutkimuksesta kerrottiin Lontoon Imperial Collegen uutissivuilla ja se on julkaistu Nature Communications -tiedelehdessä.

Kuva: NASA/LMSAL

Röntgenlaserilla ammuttiin atomia

To, 09/03/2015 - 16:07 By Markus Hotakainen
Röntgenkuva kädestä

Kun Wilhelm Röntgen 120 vuotta sitten löysi röntgensäteilyn, hän tuskin osasi kuvitellakaan, kuinka merkittävän keksinnön tuli tehneeksi. Puhumattakaan lordi Kelvinistä, jonka mukaan "Röntgensäteily tulee osoittautumaan huijaukseksi". Voiko enää enempää olla väärässä?

Nyt röntgensäteilyn avulla on jälleen tehty tieteenhistoriaa. 

Kun kaksi fotonia törmää samanaikaisesti yksittäiseen atomiin, tuloksena on yksi fotoni, jolla on suurempi energia. Ilmiö havaittiin ensimmäisen kerran näkyvällä valolla jo 1960-luvulla, mutta röntgensäteilyn alueella se ei ole onnistunut, koska käytettävissä ei ole ollut riittävän tehokasta röntgensäteilyn lähdettä. Nyt on.

Kokeessa käytettiin Kaliforniassa sijaitsevan Kansallisen kiihdytinlaboratorion röntgenlaseria. Aparaatilla on pituutta toista kilometriä, joten niitä ei maailmasta edelleenkään löydy montaa: toinen on Japanissa.

Röntgenlaserin säteily keskitettiin ainoastaan sadan nanometrin läpimittaiseksi pisteeksi. Säteilyteho oli hiuksen läpimittaa vastaavalla alueella hetkellisesti yhtä suuri kuin maapallon valaistulle puoliskolle lankeavan auringonvalon energia. 

Huipputeho oli tarpeen, jotta kaksi fotonia saatiin törmäämään täsmälleen oikeaan aikaan yhteen aineen atomeista. "Silti tapahtuman todennäköisyys oli pienempi kuin jättipotin voittaminen lotossa", arvioi tutkimusryhmää johtanut Matthias Fuchs.

Odotettu ilmiö tuotti kuitenkin odottamattoman tuloksen. Törmäyksen seurauksena syntyneen fotonin energia ei ollut läheskään niin suuri kuin oli laskettu. Näyttääkin siltä, että tällaisen törmäyksen fysiikkaa ei vielä tunneta kunnolla. 

"Nyt tehty koe oli vasta alkua", toteaa Fuchs. "Jos uudet käsityksemme tästä perusilmiöstä varmistuvat tulevissa testeissä, niillä voi olla merkittävä vaikutus suurilla röntgentehoilla tehtäviin kokeisiin ja ne saattavat johtaa uudenlaisiin aineen tutkimusmenetelmiin."

Tutkimuksesta kerrottiin EurekAlert!-tiedesivustolla ja se on julkaistu Nature Physics -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Wilhelm Röntgen

Laserilla kohti tähtiä

Ke, 06/24/2015 - 10:43 By Markus Hotakainen

Tähtienvälinen lento naapuritähti Alfa Centauriin 20 vuodessa kuulostaa juuri sellaiselta huuhaalta, johon tutkijat eivät halua nimeään missään tapauksessa liitettävän. Silti Kalifornian Santa Barbaran yliopiston fysiikan professori Philip Lubin pitää ajatusta täysin mahdollisena.

Kun aluksen energianlähteeksi otetaan vielä valo, ei välttämättä uskoisi, että ideaa koskeva tutkimus saa rahoitusta Yhdysvaltain ilmailu- ja avaruushallinnolta NASAlta.

Lubin johtaa "kokeellisen kosmologian ryhmää", joka on mukana useissa maailmankaikkeuden varhaisia kehitysvaiheita tutkivissa hankkeissa. Laserkäyttöisen tähtialuksen toteuttamista selvittelevä hanke on yksi NASAn viidestätoista Innovative Advanced Concepts -projekteista. 

Tavoitteena on tukea "innovatiivisia ja edistyksellisiä ideoita" siten, että tieteiskuvitelmilta kuulostavat ajatukset saataisiin muutettua tieteelliseksi tutkimukseksi kehittämällä uraauurtavaa tekniikkaa.

Lubinin vetämä projekti, Directed Energy Propulsion for Interstellar exploratioN (DEEP-IN) eli kankeasti käännettynä ”suunnatun energian käyttö työntövoimana tähtienvälisessä tutkimuksessa”, perustuu tieteiskirjallisuudesta tuttuun ideaan.

Maata kiertävällä radalla on voimakas "lasertykki", jonka säde suunnataan ultrakevyeen, aurinkopurjeella varustettuun luotaimeen. Säteilypaine vauhdittaa alusta niin, että sen nopeus kasvaa kaiken aikaa. 

Ennen pitkää vauhtia on niin paljon, että Einsteinin suhteellisuusteoria tulee apuun. Aika hidastuu ja matka taittuu luotaimen näkökulmasta nopeammin kuin Maasta katsottuna.

NASAn rahoituksen turvin ei sentään olla vielä matkaamassa tähtiin, vaan tarkoituksena on kehittää tekniikkaa, jota tähtienvälisen luotaimen lähettämiseksi tarvittaisiin. Avaruuteen sijoitetuilla suurteholasereilla olisi kuitenkin myös muuta käyttöä: sellaisia on kaavailtu planetaariseksi puolustusjärjestelmäksi.

Samaan tapaan kuin laser voisi vauhdittaa kauas matkaavia luotaimia, sillä voitaisiin muuttaa Maata kohti tulevien asteroidien tai komeettojen ratoja. Sekin on vielä tieteiskuvitelmaa, mutta kosminen uhka on silti todellinen.

Tutkimuksesta kerrottiin Kalifornian Santa Barbaran yliopiston The Current -verkkolehdessä.

Kuva: Adrian Mann