Tiedote

Tampereen ja Harvardin yliopistojen yhteistutkimus: Kvanttiarvet tuovat kaaokseen järjestystä

kvanttiarpia. tuottaja cairo 1.14.6, http://cairographics.org
Klassisia ratoja muistuttavia kvanttiarpia ellipsin muotoisessa nanorakenteessa. Kvanttiarpien kohdalla elektronien esiintymistodennäköisyys on poikkeuksellisen korkea.
Kvanttimekaniikka on luonnon perusteoria, joka tuntuu usein toimivan arkijärjen vastaisesti. Uudenlainen arpeutumisteoria auttaa ymmärtämään kvanttimekaniikan yhteyttä klassiseen mekaniikkaan, selittämään aiempia tuloksia sekä ottaa askeleen kohti tulevaisuuden sovelluksia.

Uudenlainen kvanttiarpeutuminen nanomittakaavan rakenteissa on esimerkki kvanttimekaniikan eriskummallisuuksista. Ilmiössä klassisen mekaniikan mukaiset jaksolliset liikeradat jättävät jäljen, ns. kvanttiarven, vastaavan kvanttimekaanisen järjestelmän ominaistiloihin, kun järjestelmään lisätään ulkoinen häiriö. Näiden arpien kohdalla kvanttimekaanisen hiukkasen (kuten elektronin) esiintymistodennäköisyys on poikkeuksellisen korkea.

Väitöskirjatutkija Joonas Keski-Rahkonen, opiskelija Aleksi Ruhanen ja fysiikan professori Esa Räsänen Tampereen yliopistosta tutkivat paikallisten häiriöiden kuten epäpuhtauksien vaikutusta nanomittakaavan rakenteisiin. He havaitsivat kvanttimekaanisten ratkaisujen suosivan 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. Lisäksi osoittautui, että arpien muotoa voidaan tarkasti kontrolloida.

- Vaikka tie mahdollisiin sovelluksiin on vielä pitkä, tulevaisuudessa kvanttiarpeutumista saatetaan valjastaa sähkönjohtavuuden parantamiseen ja kontrolloimiseen uuden sukupolven transistoreissa, kertoo väitöskirjatutkija Joonas Keski-Rahonen.

- Lisäksi uudet tutkimustulokset auttavat ymmärtämään klassisen mekaniikan ja kvanttimekaniikan suhdetta uudella tavalla, toteaa professori Esa Räsänen.

Uudenlaisten kvanttiarpien tutkimus tehtiin yhteistyössä kvanttiarpeutumisen pioneerin, Harvardin yliopiston professori Eric Hellerin kanssa. Tutkimustulokset on julkaistu 21.11.2019 Physical Review Letters -lehdessä, joka on fysiikan alan arvostetuimpia julkaisusarjoja.

J. Keski-Rahkonen, A. Ruhanen, E. J. Heller and E. Räsänen: Quantum Lissajous Scars,
Physical Review Letters 113, 214101 (2019).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.214101

Lisätietoja:
Professori Esa Räsänen, 050 301 3386, esa.rasanen@tuni.fi
Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta, fysiikan yksikkö

TAMPEREEN YLIOPISTON TIEDOTE 25.11.2019