EPFL

Saisiko olla hiukkasia vai aaltoja? Kyllä kiitos!

Ke, 03/04/2015 - 09:17 By Markus Hotakainen

110 vuotta sitten Albert Einstein oivalsi, että valon erikoiset ominaisuudet johtuvat sen kaksinaisesta luonteesta: valo on sekä aaltoja että hiukkasia.

Kun säteily lankeaa metallipinnalle, se irrottaa atomeista elektroneja. Einsteinin selitys tälle "valosähköiselle ilmiölle" toi hänelle vuonna 1921 Nobelin palkinnon, ei suinkaan suhteellisuusteorian kehittäminen.

Valon ja ylipäätään sähkömagneettisen säteilyn kaksoisluonne tulee esiin monissa yhteyksissä ja runsaan vuosisadan aikana molemmat ominaisuudet on pystytty havaitsemaan useilla eri tavoilla. 

Aiemmin ei kuitenkaan ole saatu näkyviin sekä aalto- että hiukkasluonnetta yhtä aikaa. Lausannen teknillisessä korkeakoulussa (Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, EPFL) on nyt saatu napattua kuva, jossa näkyvät molemmat valon ominaisuudet.

Kokeessa laserpulssi ammuttiin metalliseen nanolankaan, jolloin siinä olevat varatut hiukkaset alkoivat värähdellä. Lankaan syntyi seisova aalto, joka puolestaan sai langan lähettämään ympärilleen säteilyä.  

Sen jälkeen lankaan suunnattiin elektronisuihku. Kun elektronit osuivat langan säteilemään valoon, niiden nopeus kiihtyi tai hidastui. Elektronimikroskoopin avulla onnistuttiin kuvaamaan kohta, jossa elektronien nopeus muuttui, jolloin saatiin näkyviin valonlähteenä toimiva seisova aalto. 

Samalla kun elektronit kulkivat seisovan aallon ohi, jotkut niistä osuivat säteilyhiukkasiin eli fotoneihin. Juuri se aiheutti elektronien nopeuden muuttumisen: elektronien ja fotonien välillä siirtyi energiaa tietynkokoisina paketteina, kvantteina. Näin samassa kuvassa näkyy myös valon hiukkasluonne.

Fabrizio Carbonen johtaman tutkijaryhmän mukaan koe osoittaa, että kvanttimekaniikan paradoksaalisia ominaisuuksia – kuten säteilyn olemus sekä hiukkasina että aaltoina – on mahdollista kuvata suoraan. Sillä on puolestaan merkitystä esimerkiksi kvanttitietokoneiden kehitystyön kannalta, sillä kokeen perusteella on mahdollista "nähdä" ja siten hallita kvantti-ilmiöitä nanomaailman mittakaavassa.

Kuvauksessa käytettiin EPFL:n huippunopeaa transmissioelektronimikroskooppia, joita on maailmassa ainoastaan kaksi. Tutkimuksessa olivat mukana myös Trinity College ja Lawrence Livermore National Laboratory. 

Tuloksista kerrottiin EPFL:n sivuilla ja ne julkaistiin Nature Communications -lehdessä 2. maaliskuuta.

 

Miltä kuulostaisivat kyborgipiilarit?

La, 02/14/2015 - 10:21 By Markus Hotakainen
Kuva: Eric Tremblay & Joe Ford / EPFL

Äkkiseltään tieteiskuvitelmalta.

1970-luvulla televisiossa pyöri amerikkalainen toimintasarja Kuuden miljoonan dollarin mies, jonka päähenkilö, Lee Majorsin esittämä entinen astronautti Steve Austin, oli loukkaantunut pahoin lento-onnettomuudessa. Siivetön koealus oli tullut rytinällä alas ja Austin oli menettänyt molemmat jalkansa, oikean kätensä ja vasemman silmänsä.

Henkihieverissä olleesta sankarista rakennettiin entistä ehompi tekniikan keinoin. Biomekaanisilla jaloillaan Austin pystyi – kuntouduttuaan – juoksemaan sadan kilometrin tuntinopeudella ja tekokädessä oli voimaa maansiirtokoneen verran. Ihmeellisin proteesi oli kuitenkin Austinin uusi silmä.

Keinotekoinen näköelin tarjosi yli 20-kertaisen suurennuksen, sillä näki infrapunasuotimen ansiosta pilkkopimeässä ja sen avulla pystyi erottamaan niin nopeaa liikettä, että se jää tavallisen ihmissilmän tavoittamattomiin.

Aivan Austinin kaltaisen kyborgin toteuttamiseen tieto ja taito ei vielä riitä, mutta siihen suuntaan tiede ja tutkimus on menossa.

Yhdysvaltain tieteenedistämisseuran (AAAS, American Association for the Advancement of Science) kokouksessa San Josessa esiteltiin 13. helmikuuta piilolinssit, joilla saadaan 2,8-kertainen suurennus. Kehitystyötä on johtanut Eric Tremblay Sveitsissä sijaitsevassa EPFL-yliopistossa (Ecole polytechnique fédérale de Lausanne).

Piilolinssien ensimmäinen versio toteutettiin jo kaksi vuotta sitten, mutta nyt niiden toimintaa on entisestään parannettu. 1,55 millimetrin paksuiseen linssiin on onnistuttu mahduttamaan hyvin pienikokoinen peiliteleskooppi, joka rakentuu alumiinipeileistä ja polarisaatiosuotimista.

 

Tremblayn ryhmän kehittämät piilolinssit ovat hieman normaalia kookkaammat, niin sanotut skleraaliset linssit. Ne peittävät sarveiskalvon lisäksi myös osan kovakalvosta eli silmänvalkuaisesta.

Yksi kehitystyön keskeisistä haasteista on ollut tehdä optisista apuvälineistä hengittävät. Silmänkin on saatava happea, joten sitä varten linssiin on porattu 0,1 millimetrin läpimittaisia kanavia. Niitä pitkin ilma pääsee virtaamaan silmämunan pinnalle saakka.

Toisena haasteena on ollut tehdä piilolinsseistä säädettävät. Esimerkiksi silmänpohjan ikärappeumasta kärsivät tarvitsevat suurennusta jatkuvasti, mutta monissa muissa näkökykyyn vaikuttavissa sairauksissa normaalinäkö on hyvä saada tarvittaessa suurennuksen tilalle.

 

AAAS:n kokouksessa esiteltiin piilolinsseistä uusi versio, jota ohjataan silmälasien avulla. Älylasit tunnistavat pienen valonlähteen ja -ilmaisimen avulla tietoisen silmäniskun ja erottavat sen tavallisesta silmien räpyttelystä. Oikean silmän iskulla suurennus saadaan päälle ja vasemman iskulla pois. Näppärää!

Piilolinssissä olevassa miniatyyriteleskoopissa ei ole liikkuvia osia, jotka muuttaisivat suurennusta, vaan vaihto tapahtuu valon polarisaation avulla. Älylasit ovat perinteisten aurinkolasien tapaan polaroivat, mutta silmäniskulla niiden polarisaatiota pystyy muuttamaan.

Toinen vaihtoehto päästää silmälasien lävitse valon, jonka polarisaatio vastaa piilolinssin normaalinäköä, toinen valon, jonka välittämän näkymän piilolinssien minikaukoputket suurentavat 2,8-kertaiseksi.

Uusista piilolinsseistä kerrottiin EPFL:n lehdistötiedotteessa.