Aalto-yliopiston tutkijat ovat luoneet ensimmäisen valosta ja metallin elektroneista muodostuvan Bosen–Einsteinin kondensaatin, joka tarjoaa kiehtovia sovellusmahdollisuuksia.

Bosen–Einsteinin kondensaatiksi kutsutaan ilmiötä, jossa kvanttimekaniikan lait pakottavat ison määrän hiukkasia käyttäytymään kuin ne olisivat yksi ainoa hiukkanen. Bosen–Einsteinin kondensaatti on havaittu jo monissa eri tapauksissa, esimerkiksi atomeilla ja valolla, mutta ilmiön rajoja ei vielä tunneta.

Tutkijat yrittävät saada aikaan yhä pienempiä, nopeammin ja korkeammassa lämpötilassa muodostuvia kondensaatteja. Mitä helpommaksi kondensaattien luominen käy, sitä kiehtovammiksi niiden mahdolliset teknologiset sovellukset muuttuvat.

Valonlähteistä voisi esimerkiksi tehdä äärimmäisen pieniä, mikä nopeuttaisi informaation käsittelyä jopa satakertaisesti nykytasoon verrattuna.

Aalto-yliopiston tutkijoiden kokeessa kondensoituvat hiukkaset olivat yhdistelmiä valosta ja säännölliseksi hilaksi järjestetyissä kultananopartikkeleissa liikkuvista elektroneista. Uuden kondensaatin hiukkaset ovat pääosin valoa, joten kondensaattikoe voitiin luoda huoneenlämmössä. Kokeen lämpötila oli poikkeuksellinen, sillä yleensä Bosen–Einsteinin kondensaatin syntyminen edellyttää lähes absoluuttisen nollapisteen lämpötilaa.

”Kultananopartikkelihila on helppo tehdä nykyaikaisilla nanovalmistusmenetelmillä. Nanopartikkelien lähellä valo voidaan puristaa erittäin pieneen tilaan, jopa pienempään kuin valon aallonpituus tyhjiössä. Nämä ominaisuudet tekevät uudesta kondensaatistamme lupaavan sekä perustutkimuksen että sovellusten kannalta”, sanoo akatemiaprofessori Päivi Törmä.

Suurin haaste kokeissa oli havaita uusi kondensaatti, sillä se syntyy äärimmäisen nopeasti.

”Teoreettiset laskelmamme antoivat olettaa kondensaatin syntyvän pikosekunneissa”, kertoo jatko-opiskelija Antti Moilanen. ”Miten voi todentaa ilmiön olemassaolon, jos se syntyy ja häviää sekunnin triljoonasosassa?”

Ratkaiseva idea oli sysätä kondensoituvat hiukkaset liikkeeseen nanopartikkelihilan toisesta päästä.

”Edetessään hiukkaset säteilevät valoa koko hilan pituudelta. Mittaamalla valoa voimme seurata, miten kondensaatio tapahtuu. Hiukkasten kulkema matka vastaa prosessiin kulunutta aikaa”, selittää tutkijatohtori Tommi Hakala.

Aalto-yliopiston tutkimuksen tulokset on julkaistu Nature Physics –lehdessä.

Kondensaatin säteilemä valo muistuttaa laservaloa. Sekä Bosen–Einsteinin kondensaatti että laser tuottavat kirkkaan valonsäteen, mutta valon koherenssi on erilaista. Koherenssia voi siten säätää eri sovellusten tarpeisiin.

Uusi kondensaatti pystyy tuottamaan erittäin lyhyitä valopulsseja, jotka voisivat esimerkiksi nopeuttaa informaationkäsittelyä ja kuvantamista. Akatemiaprofessori Törmä on jo saanut Euroopan tutkimusneuvoston Proof of Concept -rahoituksen kondensaatin sovellusten tutkimiseen.

Albert Einstein ja Satyendra Nath Bose ennustivat jo lähes sata vuotta sitten, että kvanttimekaniikan lait voivat pakottaa ison määrän hiukkasia käyttäytymään kuin ne olisivat yksi ainoa hiukkanen. Ensimmäinen alkaliatomikaasusta koostuva kondensaatti pystyttiin toteuttamaan kuitenkin vasta vuonna 1995, ja saavutus palkittiin fysiikan Nobelilla vuonna 2001.

Artikkeli on julkaistu 17.4. kello 10.37, ja sitä on päivitetty 18.4. kello 11. Syy: päivitetty otsikkoa.