Kvanttipolun töyssyt saavat elektronit liikkumaan tehokkaammin

Kvanttimekaniikka tuntuu usein toimivan arkijärjen vastaisesti. Uudenlainen arpeutumisteoria auttaa selittämään aiempia tuloksia ja lyhentää matkaa tulevaisuuden sovelluksiin.

Tutkiessaan paikallisten häiriöiden vaikutusta nanomittakaavan puolijohderakenteisiin tutkijatohtori Perttu Luukko ja professori Esa RäsänenTampereen teknillisestä yliopistosta yllättyivät suuresti, kun häiriöt tuottivatkin säännöllisiä rakenteita kvanttimekaanisiin ominaistiloihin. Löytöä tutkittiin yhteistyössä Harvardin, MIT:n ja Tulanen yliopiston tutkijoiden kanssa, ja tulokset on nyt julkaistu Scientific Reports -artikkelisarjan uusimmassa numerossa.

Tarkempi tutkimus paljasti, että kyseessä on uudenlainen esimerkki kvanttiarpeutumisesta eli ilmiöstä, jossa klassisen mekaniikan mukaiset jaksolliset liikeradat jättävät jäljen vastaavan kvanttimekaanisen järjestelmän käyttäytymiselle keskeisiin niin kutsuttuihin ominaistiloihin. Häiriöiden aiheuttamat arvet ovat tavanomaista yleisempiä ja voimakkaampia, mikä raottaa ovea myös sovelluksille.

Erikoista häiriöiden aiheuttamassa arpeutumisessa on, että voimakkaita arpia muodostuu kosolti, vaikka häiriöt olisi ripotettu järjestelmään satunnaisesti.

– Arkijärjellä ajateltuna satunnaisten häiriöiden ei pitäisi tuottaa säännöllisyyttä, vaan sen vastakohtaa, satunnaista puuroa. Kvanttimekaniikan ja klassisen mekaniikan välinen yhteys voi saada järjestelmän kuitenkin suosimaan säännöllisiä, klassisen fysiikan mukaisia muotoja. Tämä on hyvä uutinen sovelluksille, koska säännöllisen radan voi valjastaa käyttöön paljon helpommin kuin satunnaisen puuron, Perttu Luukko kertoo.

Koska arvet toimivat hiukkasten liikettä ohjaavina kanavina, aiheuttamalla arpeutumista paikalliset häiriöt vaikuttavat kvanttimekaanisten hiukkasten kulkeutumiseen yllättävällä tavalla. Tietokonesimulaatioissa hiukkasta esittävä kvanttimekaaninen aaltopaketti pysyy, arpien avustamana, paremmin radallaan kulkiessaan häiriöitä sisältävän järjestelmän läpi kuin ilman häiriöitä.

– Kvanttimekaniikka on totuttu yhdistämään monenlaisiin arkijärjen nyrjäyttäviin ilmiöihin. Nyt tähän listaan voidaan lisätä se, että hiukkaset saattavat seurata tiettyä rataa paremmin, kun niiden tielle on asetettu satunnaisesti esteitä, Luukko sanoo.

Arpien hiukkasia ohjaava vaikutus saatetaan tulevaisuudessa valjastaa sovelluksiin, joissa nanomittakaavan laitteen sähkönjohtavuutta voimistetaan ja kontrolloidaan luomalla järjestelmään paikallisia häiriöitä. Yhtä lailla ilmiö saattaa jo nyt vaikuttaa paikallisia häiriöitä sisältävien kvanttijärjestelmien käyttäytymiseen, ja siten vastalöydetty teoria saattaa auttaa selittämään jo olemassa olevia tuloksia.

– Tie sovelluksiin on vielä pitkä, mutta se on valtaisasti lyhyempi nyt kuin ennen arpeutumisen teorian paljastamista. Tutkimusta laajennetaan nyt esimerkiksi kvanttipisteisiin, joista arpia hyödyntämällä voidaan suunnitella uuden sukupolven transistoreita, Luukko ja Räsänen toteavat.

Perttu Luukko väitteli tohtoriksi Jyväskylän yliopistosta alkuvuodesta 2016 ja työskenteli tämän jälkeen projektitutkijana TTY:llä professori Esa Räsäsen kvanttikontrollin ja -dynamiikan tutkimusryhmässä fysiikan laitoksella. Tällä hetkellä Luukko jatkaa työtään Max Planck -tutkimusinstituutissa Dresdenissä, Saksassa. Räsäsen tutkimusryhmä TTY:llä jatkaa kvanttiarpien perustutkimusta ja laajentaa tutkimuksen laskennallisia menetelmiä aikasarja-analyysiin uudessa Suomen Akatemian kärkihankkeessa 2016–2018.

Tutkimusjulkaisu on luettavissa osoitteessa http://www.nature.com/articles/srep37656