valo

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

Arri vaikuttaa valon avulla – Akatemiapalkinto 2018

Suomen Akatemia palkitsee vuosittain ansioituneita tutkijoita akatemiapalkinnoin. Tänä vuonna palkinnon tieteellisestä rohkeudesta sai akatemiatutkija Arri Priimägi Tampereen yliopistosta ja yhteiskunnallisesta vaikuttavuudesta palkittiin akatemiatutkija Mari Pihlatie Helsingin yliopistosta. Priimägin tutkimuskohteena on valo ja sen vuorovaikutus eri materiaalien kanssa. Pihlatie tutkii maaperän, kasvien ja ilmakehän välistä vuorovaikutusta. Palkinnot luovutettiin tutkijoille viime keskiviikkona 6.2.2019.

 

Arri Priimägi hyödyntää fysiikkaa ja kemiaa nanomateriaalien tutkimuksessa. Hän johtaa Tampereen yliopistossa Smart Photonic Materials -tutkimusryhmää. Ryhmä tutkii materiaaleja, joiden järjestykseen ja ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa valon avulla.

”Meitä kiinnostaa, miten materiaalien ominaisuuksia, kuten väriä, kovuutta ja muotoa, voidaan muokata ja kontrolloida valolla. Näiden ominaisuuksien valo-ohjaus tarjoaa monia mahdollisuuksia”, sanoo Priimägi. ”Pystymme tekemään esimerkiksi pieniä valorobotteja, jotka liikkuvat itse tai pystyvät liikuttamaan esineitä valon voimalla ja valo-ohjattavia pintoja, joiden avulla voi etäohjata solujen kasvua.”

Priimägin mielestä valo on erityisen kiehtova tutkittava juuri siksi, että se mahdollistaa materiaalien etäohjauksen ilman fyysistä kontaktia. Hänen tuloksiaan voidaan soveltaa esimerkiksi fotoniikassa ja robotiikassa. Viimeaikaiset tulokset, keinotekoinen iiris (Adv. Mater. 2017) ja optinen kärpäsloukku (Nature Comm. 2017) ovat herättäneet huomiota myös tiedepiirien ulkopuolella.

Priimägi liikkuu tutkimuksessaan rohkeasti perustutkimuksen ja sovellusten välissä. Hänen koko uralleen on ominaista ennakkoluulottomuus vaihtaa alaa, oppia uusia asioita ja yhdistellä rohkeasti poikkitieteellistä osaamista siten, että kokonaisuus on paljon merkittävämpi kuin osiensa summa.

Juttu ja video ovat Suomen Akatemian tuottamia.

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.

Omituista: valolla voi hallita valoa

Ti, 10/04/2016 - 12:11 By Toimitus
Lasersydämiä

Nykyaikainen tiedonvälitys ja -tallennus käyttää hyväkseen runsaasti valon ja aineen vuorovaikutusta. On kyse sitten DVD-levyistä tai optisista kuiduista, niiden toiminta perustuu valon ja aineen yhteistoimintaan. Kun tutkijat tavoittelevat yhä nopeampia yhteyksiä ja suurempaa tallennuskapasiteettia, katsotaan nyt uuteen suuntaan: orgaanisiin materiaaleihin.

Tulevaisuuden tiedonvälityksessä käytetään paljon nykyisiä tekniikoita enemmän orgaanisia materiaaleja, koska ne reagoivat poikkeuksellisen voimakkaasti valoon. 

Lisäksi orgaanisten aineiden etuja ovat edullisuus, helppo mekaaninen työstettävyys sekä ominaisuuksien räätälöitävyys aina molekyylitasolta lähtien.

Tampereen teknillisessä yliopistossa ensi perjantaina väittelevä Matti Virkki on paneutunut erityisesti supramolekulaarisiin materiaaleihin.

"Supramolekulaarisissa materiaaleissa molekyylit vuorovaikuttavat keskenään halutulla tavalla", kertoo Virkki. "Valjastin nämä vuorovaikutukset palvelemaan aineen uudelleenjärjestäytymistä, kun siihen kohdistetaan valoa." 

Aineen molekyylitason järjestys määrää suurelta osin miten valon ominaisuudet muuttuvat sen edetessä kyseisessä aineessa. Valolla aikaansaatu uudelleenjärjestäytyminen saa valon käyttäytymään aineessa eri tavalla. Lopputulos on siten valolla ohjattu materiaali valon hallintaan.

"Supramolekulaaristen vuorovaikutusten ymmärtäminen auttaa kehittämään materiaaleja, jotka muokkaavat valon ominaisuuksia entistä voimakkaammin ja nopeammin. Ennen kaikkea lähestymistavan etuna on kemiallisen synteesin yksinkertaistuminen: Aiempaa pienemmät rakenneosat muodostavat itsestään halutun rakenteen, kun ne sekoitetaan keskenään."

Tarkemmin sanottuna Virkin työmaana on epälineaarinen optiikka. Esimerkkejä tämän sovelluksista ovat valon värin muuttaminen uusien lasereiden valmistuksessa sekä valon modulointi eli muokkaaminen suurella taajuudella tiedonvälitystä varten.

Virkin fysiikan alaan kuuluvaan väitöskirjaan Supramolecular Materials for Photocontrolled Optical Nonlinearity (Supramolekulaarisia materiaaleja valolla ohjattuun epälineaariseen optiikkaan) voi tutustua osoitteessa http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-15-3825-4

Juttu perustuu Tampereen teknillisen yliopiston lähettämään tiedotteeseen.

Valo, ikivanha tuttu, yllätti tutkijat

Ti, 05/17/2016 - 13:11 By Markus Hotakainen
Valon oudot ominaisuudet

Valon voisi kuvitella olevan tutkijoille niin tuttu asia kuin jokin voi ylipäätään olla. Sitä on tutkittu vuosisatojen ajan yhä tarkemmilla mittalaitteilla ja sitä on kaikkialla.

Jo pitkään on tiedetty, että valo on sekä hiukkasia että aaltoliikettä. Myös valolla on impulssimomentti eli pyörimismäärä, joka on kvanttimaailman keskeisen luvun eli Planckin vakion kokonaislukumonikerta. Tai niin luultiin. 

Dublinilaisen Trinity Collegen tutkijat ovat todenneet, että valon impulssimomentti voi olla kuitenkin myös puolet tästä lukuarvosta. Kun impulssimomentti kertoo, miten valonsäde kiertyy oman akselinsa ympäri, uusi havainto kertoo valolla olevan ominaisuuksia, joista ei aiemmin tiedetty.

Mullistavaksi luonnehdittava havainto tehtiin, kun valo muutettiin kiteiden avulla kiemurtavaksi, korkkiruuvimaiseksi säteeksi. Tarkoitus oli kehittää optista tietoliikennettä entistä paremmaksi, mutta kun säteen ominaisuuksia tutkittiin tarkemmin, sen impulssimomentti osoittautui kummalliseksi: Planckin vakion kerroin ei ollutkaan kokonaisluku, vaan puolikas.

Vaikka havainto oli yllättävä, teoreettisesti se oli odotettavissa. 1980-luvulta lähtien teoreettisessa fysiikassa on tullut esiin mahdollisia tilanteita, joissa hiukkasten kvanttiluvut voivat olla jotain muuta kuin yleensä oletetaan, esimerkiksi kokonaislukujen sijasta puolikkaita. Nyt sille saatiin vahvistus hiukkasilta, jotka kuviteltiin tunnettavan erittäin hyvin: fotoneilta.

Tutkimustulos ei ole merkittävä pelkästään perusfysiikan ja kvanttimekaniikan kannalta, vaan sillä saattaa olla tärkeitä käytännön sovelluksia. Uusi valon ominaisuus voi auttaa kehittämään nopeampia ja turvallisempia valokuituyhteyksiä.

Toistaiseksi tutkijat kuitenkin keskittyvät kokeen toistamiseen ja havainnon varmistamiseen. Vasta sen jälkeen – jos kaikki pitää kutinsa – päästään käytännön ongelmien kimppuun.

Tutkimuksesta kerrottiin Science Alert -sivustolla ja se on julkaistu Science Advances -tiedelehdessä.

 

Mistä on pienet biobotit tehty? Valosta ja lihaksista.

Ti, 03/15/2016 - 14:04 By Markus Hotakainen
Taiteilijan näkemys biobotista

Robotit ovat tulossa, siitä ei ole epäilystäkään. Tai nehän ovat jo täällä, mutta uudenlaisia kehitellään kaiken aikaa.

Illinois’n yliopistossa on otettu iso askel kohti käyttökelpoista biologista robottia eli biobottia. Sen liikkuminen perustuu geneettisesti manipuloituihin lihassoluihin ja sitä ohjataan valolla.

"Valo on lempeä tapa ohjata näitä koneita", tutkimusta johtanut Rashid Bashir toteaa. "Se mahdollistaa joustavuuden sekä suunnittelussa että liikkumisessa. Pohjimmiltaan yritämme kehittää biologisten järjestelmien perusrakennetta ja mielestämme valo-ohjaus on merkittävä askel siihen suuntaan."

Bashirin ryhmä on aiemmin onnistunut kehittämään biobotteja, joita ohjataan sähkökentän avulla, mutta sähköllä on bioympäristössä erilaisia haittavaikutuksia. Sillä ei myöskään pystytä stimuloimaan tiettyä aluetta lihaskudoksessa, mitä biobotin ohjaaminen edellyttää. 

Tutkijoiden kasvattaman lihaskudoksen solut ovat peräisin hiiristä. Niihin on lisätty geeni, joka saa lihaksen supistumaan, kun siihen kohdistuu tietyn aallonpituista sinistä valoa. Tällaista tekniikkaa kutsutaan optogenetiikaksi.

Lihaskudoksen muodostamat renkaat kiinnitetään 3D-tulostettuun joustavaan "selkärankaan", jolla voi olla pituutta seitsemästä millimetristä kahteen senttimetriin. 

 

 

"Kehittämämme lihakset ovat renkaanmuotoisia, kuin kumilenkkejä, sillä halusimme tehdä niistä modulaarisia", kertoo tutkimukseen osallistunut Ritu Raman. "Siten voimme käyttää niitä kuin rakennuspalikoita, jotka ovat yhdistettävissä millaiseen 3D-tulostettuun luurankoon tahansa, jolloin saamme erilaisiin käyttötarkoituksiin soveltuvia biobotteja."

Rengasmaiset lihakset tekevät myös niiden "ruokkimisen" helpommaksi, sillä ne voivat imeä ympäristöstään ravinteita koko pinnallaan. Lihasten treenaaminen on helppoa, sillä valonvälähdykset saavat ne supistumaan rytmikkäästi ja samalla niiden voima kasvaa. 

 

 

"Rakenne on hyvin joustava", Bashir kehuu. "Renkaiden avulla voimme yhdistää millaisia liitoksia tai niveliä hyvänsä 3D-tulostetussa luurangossa. Jos renkaita on useita, voi myös jalkoja olla useita. Valon avulla pystymme hallitsemaan, mihin suuntaan ne liikkuvat."

Tutkimuksesta kerrottiin Illinois’n yliopiston uutissivuilla ja se on julkaistu Proceedings of the National Academy of Sciences -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuvat: Janet Sinn-Hanlon (pääkuva) ja Ritu Raman; video: Ritu Raman

Sinisiä varjoja ja punaisia pilviä

To, 03/03/2016 - 13:50 By Markus Hotakainen
Varjoja hangella

Valon ja varjon vaihtelu helpottaa ympäröivän maailman hahmottamista – tai oikeastaan tekee sen ylipäätään mahdolliseksi.

Jos katselee vaikkapa korkealta kukkulalta notkelmassa kasvavaa tiheää metsää siten, että aurinko paistaa suoraan selän takaa, puustosta on vaikea erottaa yksityiskohtia: tummat varjot jäävät auringon valaisemien puiden taakse piiloon. 

Varjot ovat tosiaan aina tummia, mutta ne eivät aina ole samanvärisiä. Jos kävelee kuutamoiltana lumisella tiellä, jota valaisevat harvakseltaan sijaitsevat katulamput, lankeaa maahan kaksi varjoa. Toinen niistä on kellertävä ja toinen sinertävä. 

Värieron syynä on se, että Kuun valon langettamaa varjoa valaisee keltainen katulamppu. Katuvalojen luomia varjoja puolestaan valaisee Kuusta heijastunut auringonvalo. Se ei ole sinistä vaan valkoista, mutta silmä tulkitsee kontrastin takia näkemänsä sinertäväksi, ja maassa näkyy kaksi selvästi eriväristä varjoa.

 

 

Päiväsaikaan auringon synnyttämät varjot sen sijaan ovat todellisuudessakin sinisiä. Mistä niitä valaiseva vähäisempi valo on peräisin? Siniseltä taivaalta. 

Kun auringosta tuleva valkoinen, kaikista eri väreistä koostuva valo etenee Maan ilmakehässä, sinisen valon kulkusuunta muuttuu eniten, punaisen vähiten. 

Sinistä valoa leviää eli siroaa ympäri taivasta ja siksi sinitaivas on todellakin sininen. Samasta syystä nouseva ja laskeva aurinko on punainen: suuri osa sinisestä valosta on sironnut taivaalle. Punertunut aurinko värjää usein koko taivaan ja etenkin pilvet liekehtiväksi.

 

Punainen iltarusko

 

Aurinkoisena päivänä varjot eivät välttämättä näytä sinisiltä, sillä valon ja varjon kirkkausero on niin suuri, että silmä ei erota sinistä väriä. Sinisten varjojen näkeminen on helpompaa lumen peittämässä talvimaisemassa ja erityisesti auringon ollessa matalalla – mikä Suomessa on sydäntalven päivinä vallitseva tilanne. Paitsi että yleensä aurinko on pilvien takana…

Jos aurinko kuitenkin sattuu paistamaan matalalta talviselta taivaalta, valo lankeaa maanpintaan hyvin viistossa kulmassa. Silloin lumi ei hohda yhtä kirkkaasti kuin keskellä aurinkoista kevättalven päivää. 

Matalalla olevan auringon valo on lisäksi hieman punertunutta, mikä entisestään lisää valon ja varjon kontrastia. Kun silloin tarkastelee hangen pinnalle heittyviä varjoja, ne ovat voimakkaan sinisiä, lähes yhtä sinisiä kuin yllä kaartuva sininen taivas.

Valoisan ja pimeän vaihtelu luo mielikuvan liikkeestä

Su, 02/14/2016 - 10:43 By Markus Hotakainen

Darth Vader oli oikeassa: pimeä puoli on vetovoimaisempi. Ruhrin yliopiston tutkijat ovat selvittäneet, että muutokset valoisan ja pimeän alueen rajoilla saavat aivoissa aikaan aktiivisuusaaltoja, jotka todennäköisesti liittyvät liikkeen havaitsemiseen.

Jos katsoo mustista ja valkoisista alueista rakentuvaa kuvaa, silmien alituinen liike saa aikaan niiden rajoilla nopeita muutoksia. Ne puolestaan synnyttävät näkökeskuksessa aaltoja, joiden jatkokäsittely muilla aivojen alueilla antaa mielikuvan liikkeestä.

Luonnossa on lukemattomia esimerkkejä siitä, miten saaliseläimet välttävät petoja sulautumalla ympäristöön. Usein on oleellista kyetä jäljittelemään tummia ja vaaleita alueita, pimeää ja valoisaa. 

"Näköhavainnon ensimmäinen askel on erottaa toisistaan tummat ja vaaleat alueet. Minkä tahansa näkemiseen liittyvän järjestelmän ongelmana on mielekkään järjestyksen luominen mutkikkaista valon luomista kontrasteista, jotta kohteen voisi tunnistaa. Yksi tehokas mekanismi saattaa olla hahmottaa yhtenäisiä valoisuuden muutoksia, joita väistämättä tapahtuu, kun jokin liikkuu taustaa vasten", toteaa tutkimusta johtanut Dirk Jancke.

Tutkijat osoittivat, että lähekkäisten alueiden valoisuudessa samanaikaisesti tapahtuvat päinvastaiset muutokset – pimeästä valoisaan ja valoisasta pimeään – saavat aikaan näkökeskuksen aktivoitumisen. Seurauksena on havainto liikkeestä.

Tutkimuksessa käytetyssä kokeessa näyttöruudulla oli pieniä harmaita neliöitä, joiden kirkkaus vaihteli tummasta vaaleaan ja takaisin. Samanaikaisesti mitattiin koehenkilöiden aivojen aktiivisuutta. Yllättävänä tuloksena oli, että aivot rekisteröivät neliöiden muuttumisen tummaksi aikaisemmin kuin niiden vaalenemisen. 

"Se osoittaa, että samanaikaisissa valoisuuden muutoksissa tapahtui aivoissa aikasiirtymä", päättelee Sascha Rekauzke

Jo aiemmin tiedettiin, että valoisan ja pimeän käsittelyssä on pieni, joidenkin millisekuntien suuruinen ero. Silmän valoherkkien solujen signaalit valon ja pimeän esiintymisestä etenevät aivoihin hieman eri tahtiin. 

Nyt selvisi, että aivot vahvistavat pienen aikaeron noin kymmeneen millisekuntiin. Siitä on seurauksena valoisuuden – tummien ja vaaleiden alueiden – havaitsemisessa esiintyvä aikasiirtymä, joka saa aikaan epäsymmetrisesti etenevän aktiivisuusaallon. Aivot tulkitsevat sen havainnoksi liikkeestä.

Samankaltaiseen epäsymmetriaan perustuu myös äänen tulosuunnan havaitseminen. Eri suunnista tulevat ääniaallot osuvat korviin hieman eri aikaan ja sillä perusteella aivot "laskevat", mistä suunnasta ääni kuuluu.

Tutkimuksesta kerrottiin Ruhrin yliopiston uutissivuilla ja se on julkaistu Journal of Neuroscience -tiedelehdessä.

Kuva: Dirk Jancke/RUB

 

Liiallinen valo lihottaa

Su, 10/25/2015 - 09:53 By Markus Hotakainen
Lokki lampun päällä

Kun kesäajan päätyttyä saamme sunnuntaiaamun iloksi jälleen pähkäillä, mitä kello oikeasti on, sopii teemaan Queenslandin teknillisessä korkeakoulussa Australiassa tehty tutkimus keinovalon ja liikalihavuuden yhteydestä.

Cassandra Pattinsonin johtama ryhmä tutki kahden viikon ajan 48 lasta, joiden ikä vaihteli kolmesta viiteen vuoteen. Tutkimuksessa tarkkailtiin unen määrää ja laatua, fyysistä aktiivisuutta ja altistusta valolle sekä toisaalta lasten painoindeksiä.

"Totesimme, että jo melko vähäinenkin altistus valolle aikaisin aamulla oli yhteydessä suurempaan painoindeksiin, kun taas lapset, jotka saivat suurimman annoksen valoa – sekä ulkona että sisällä – vasta iltapäivällä, olivat hoikempia”, toteaa Pattinson.

"Yllättäen fyysisessä aktiivisuudella ja lasten painolla ei ollut yhteyttä, mutta nukkumisajoilla ja valon määrällä oli. Ensimmäisen kerran valon osoitettiin vaikuttavan lasten painoon."

Tutkijaryhmän mukaan tablettien, älypuhelinten, televisioiden ja yölamppujen ansiosta nykypäivän lapset altistuvat valolle enemmän kuin yksikään aiempi sukupolvi. Samaan aikaan kun keinovalon määrä on lisääntynyt, liikalihavuudesta on tullut maailmanlaajuinen ongelma.

Jo ennestään on tiedetty, että valaistuksen määrällä, kestolla ja kellonajalla – olipa kyse sitten luonnollisesta tai keinovalosta – on vaikutuksia nisäkkäiden vuorokausirytmiin.

"Sisäisen kellon toiminta perustuu pitkälti valon määrään ja altistumisen ajankohtaan. Se vaikuttaa unirytmiin, painon nousuun ja laskuun, hormonaalisiin muutoksiin ja mielialaan", Pattinson listaa.

"Viimeaikaisissa tutkimuksissa on todettu, että aikuisilla altistuminen valolle iltamyöhällä saattaa liittyä painon nousuun, mutta asiaa ei ole tutkittu pienillä lapsilla: näyttää siltä, että vaikutus on päinvastainen. Kun aikuiset, jotka altistuvat suuremmalle valon määrälle aamuisin, ovat hoikempia, aikaisin valolle altistuvat esikouluikäiset ovat usein lihavampia."

Liikalihavuuteen vaikuttaviksi tekijöiksi on todettu ravinnon määrä, vähäinen liikunta, univaje ja vaihtelevat nukkuma-ajat. Nyt luetteloon voi siis lisätä valon.

"Eläimillä tehdyt tutkimukset ovat osoittaneet, että valon määrä ja sille altistumisen ajankohta ovat keskeisen tärkeitä aineenvaihdunnan toiminnan kannalta. Tuloksemme viittaavat siihen, että sama pätee meihin ihmisiin", Pattinson päättää.

Tässä valossa on perusteltua miettiä, onko kaksi kertaa vuodessa tapahtuvasta kellojen edestakaisin siirtelystä enemmän hyötyä vai haittaa.

Valotutkimuksesta kerrottiin Queenslandin teknillisen korkeakoulun uutissivuilla.

Voiko valon nopeus olla ääretön?

Ma, 10/19/2015 - 22:42 By Markus Hotakainen
Nollakertoimen metamateriaali

Kyllä voi, mutta ei hätää, Albert Einstein on edelleen oikeassa: valon nopeus on ehdoton kattonopeus informaation siirtymiselle. Valo etenee tyhjiössä 299 792 kilometrin sekuntinopeudella, mutta valolla on tämän ryhmänopeuden eli energian siirtymisnopeuden lisäksi myös vaihenopeus. Ja se voi vaihdella.

Vaihenopeus kertoo, millä nopeudella jokin valoaallon osa, esimerkiksi aallonharja, etenee. Se puolestaan riippuu väliaineesta. Esimerkiksi vedessä valoaallot lytistyvät kasaan ja aallonharjat lähestyvät toisiaan. Silloin valon vaihenopeus pienenee. 

Väliaineen taitekerroin ilmoittaa, kuinka paljon vaihenopeus siinä muuttuu: mitä suurempi kerroin, sitä enemmän vauhti hidastuu. Veden taitekerroin on noin 1,3 ja esimerkiksi ikkunalasin 1,5. 

Tyhjiön taitekerroin on yksi, joten siinä valon vaihenopeus on suurin mahdollinen. Paitsi että… Entä jos taitekerroin on pienempi kuin yksi – tai peräti nolla?

Silloin tapahtuu kummia. Valoaallon vaiheet eivät enää olekaan etenevässä liikkeessä, joten valo ei kulje aaltona. Jos aineen taitekerroin on nolla, valon vaiheet muuttuvat pysyviksi ja aallonpituus kasvaa äärettömäksi.  

Eric Mazurin johtama tutkijaryhmä on kehittänyt metamateriaalin, jonka taitekerroin todella on nolla eli valoaallon vaihe voi periaatteessa kulkea siinä äärettömän nopeasti.  

Tällaista pysyvää aaltoa on mahdollista käsitellä aivan toisella tavalla kuin "tavallista" valoa. Ja mikä tärkeintä, valoa manipuloitaessa energiaa ei häviä. Uudella materiaalilla voi olla suuri merkitys kvanttitietokoneiden kehittelyssä.

Tulevaisuudessa elektroniikka korvautuu yhä yleisemmin fotoniikalla, missä elektronien tilalla on valo ja sen hiukkaset eli fotonit. Esimerkiksi tietokoneissa valon avulla on mahdollista siirrellä tietoa paljon nopeammin kuin perinteisten elektronisten komponenttien avulla. Ongelmana on kuitenkin valon kimurantti luonne.

"Valo ei pidä puristelusta tai muokkaamisesta, mutta uuden metamateriaalin avulla on mahdollista manipuloida mikrosirusta toiseen kulkevaa valoa: puristaa sitä kasaan, taivuttaa, kiertää ja pienentää valonsäteen läpimittaa makroskaalasta nanoskaalaan", kuvailee Mazur.

"Optisten piirien käyttöä rajoittaa tavallisten piiaaltoputkien heikkous ja tehottomuus energian säilyttämisessä", toteaa Yang Li, joka oli mukana Mazurin tutkijaryhmässä. 

"Nollakertoimen metamateriaali tarjoaa ratkaisun sähkömagneettisen energian säilymiseen erilaisissa aaltoputkirakenteissa, koska sen korkea sisäinen vaihenopeus mahdollistaa esteettömän valon etenemisen."

Uusi metamateriaali rakentuu polymeeriin upotetuista piipilaririveistä, jotka on peitetty ohuella kultakalvolla. Sitä voidaan käyttää piistä valmistetuissa aaltoputkissa, jotka ovat liitettävissä optisiin piireihin.

"Uusi tekniikka voisi parantaa kvanttibittien välistä lomittumista, sillä valoaallot leviävät käytännössä äärettömän pitkiksi, jolloin kaukana toisistaan sijaitsevat hiukkasetkin voisivat lomittua", arvioi tutkijaryhmään kuulunut Philip Munoz.  

Hiukkasten ollessa lomittuneita voidaan yhtä hiukkasta tutkimalla saada tietoa myös muiden hiukkasten vastaavista ominaisuuksista. Kuulostaa tieteistarinoinnilta, mutta kvanttimekaniikassa esiintyy arkimaailmaan verrattuna omituisia ilmiöitä.

Uudesta metamateriaalista kerrottiin Harvardin yliopiston uutissivuilla ja tutkimus on julkaistu Nature Photonics -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Peter Allen/Harvard SEAS