Kuinka kokemamme makroskooppinen, klassisen mekaniikan lakien ohjaama maailmankuva selittyy, kun tutkitaan näkymätöntä mikromaailmaa, jota kuvaa usein arkijärjen vastaisesti toimiva kvanttimekaniikka?Tämä on keskeinen taustakysymys FM Joonas Keski-Rahkosen väitöskirjassa, jossa käsitellään paikallisten häiriöiden, kuten materiaalien epäpuhtauksien vaikutusta nanomittakaavan rakenteisiin.
Keski-Rahkosen työssään esittelemä uudenlainen kvanttiarpeutuminen nanomittakaavan rakenteissa on esimerkki kvanttimekaniikan eriskummallisuuksista. Ilmiössä klassisen mekaniikan mukaiset jaksolliset liikeradat jättävät jäljen, niin sanotun kvanttiarven, vastaavan kvanttimekaanisen järjestelmän ominaistiloihin, kun järjestelmään lisätään ulkoinen häiriö. Näiden arpien kohdalla kvanttimekaanisen hiukkasen, kuten esimerkiksi elektronin, esiintymistodennäköisyys on poikkeuksellisen korkea.
Tutkimuksen mukaan kvanttimekaaniset ratkaisut suosivat säännöllisiä ratoja häiriöistä huolimatta, vaikka klassisen mekaniikan mukaan ratkaisujen pitäisi olla satunnaista sekasotkua.
– Erikoista kvanttiarpeutumisessa on, että voimakkaita arpia muodostuu kosolti, vaikka häiriöitä olisi ripoteltu järjestelmään täysin satunnaisesti. Toisin sanoen kvanttihiukkaset saadaan seuraamaan tiettyä klassillisen mekaniikan muotoista säännöllistä rataa paremmin, kun niiden tielle on asetettu satunnaisesti esteitä, Joonas Keski-Rahkonen kertoo.
Lisäksi osoittautui, että arpien muotoa ja asentoa voidaan tarkasti kontrolloida, mikä raottaa ovea myös tulevaisuuden sovelluksille.
– Vaikka tie mahdollisiin sovelluksiin on vielä pitkä, niin tulevaisuudessa kvanttiarpeutumista saatetaan valjastaa sähkönjohtavuuden parantamiseen ja kontrolloimiseen uuden sukupolven transistoreissa. Lisäksi uudet tutkimustulokset auttavat ymmärtämään klassisen mekaniikan ja kvanttimekaniikan suhdetta uudella tavalla, Keski-Rahkonen sanoo.
Filosofian maisteri Joonas Keski-Rahkonen laskennallisen fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Quantum Chaos in Disordered Two-Dimensional Nanostructures tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnassa perjantaina 9.10.2020 klo 12.00 alkaen. Vastaväittäjänä toimii professori Roland Ketzmerick Dresdenin teknillisestä yliopistosta. Kustoksena toimii professori Esa Räsänen Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnasta.
Tilaisuutta voi seurata etäyhteydellä.
Väitöskirjaan voi tutustua osoitteessa http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-1699-0.
Kuva: Joonas keski-Rahkonen. Kuvassa esimerkki kvanttiarvesta ympyräsymmetrisessä nanorakenteessa, jossa on paikallisia häiriöitä (punaiset täplät). Kvanttiarven kohdalla hiukkasen esiintymistodennäköisyys (harmaan sävy) on poikkeuksellisen korkea ja se muistuttaa pentagrammin muotoista klassillista rataa.