Löytö voi luoda perustan uusille kvanttiteknologioille – viestintäjärjestelmistä satelliittiverkkoihin
Nykyaikaisessa fysiikassa on kaksi käsitteellisesti erilaista teoriaa. Toisaalta on yleinen suhteellisuusteoria, joka kuvaa gravitaatiota geometriana…
Wienin teknillisen yliopiston (TU Wien) ja Okinawan tiede- ja teknologiainstituutin (OIST) tutkijat ovat esittäneet ensimmäisen esimerkin spontaanisti syntyvästä ylikuumenevasta maser-generaatiosta, joka ei vaadi ulkoista virityslähdettä. Kokeessa kvanttihiukkaset järjestäytyivät itsestään tuottamaan pitkään vakaata ja tarkkaa mikroaaltosignaalia – ilmiö, jota aiemmin pidettiin mahdottomana.
Työn perustana on ylisäteilyn ilmiö – kvanttihiukkasten kollektiivinen säteilyn emissiota. Tavallisissa olosuhteissa ylisäteilyn ilmentyy lyhyenä ja voimakkaana välähdyksenä: hiukkaset säteilevät synkronisesti, vahvistavat toisiaan, mutta menettävät nopeasti energiansa, ja prosessi loppuu. Aiemmin ajateltiin, että tällaiset kollektiiviset ilmiöt vaimenevat väistämättä eivätkä voi jatkua pitkään ilman ulkoista viritystä.
Uudessa kokeessa fyysikot kuitenkin havaitsivat toisenlaisen tilan. He yhdistivät mikroaaltoresonaattorin ontelon tiheään timanttien joukkoon, jotka sisälsivät niin kutsuttuja NV-keskuksia – atomivikoja, joissa elektronien spinit voidaan käyttää kvanttitiloina. Nämä spinit olivat vuorovaikutuksessa keskenään ja resonanssin sisällä olevan yhteisen sähkömagneettisen kentän kanssa.
Aluksi järjestelmä käyttäytyi odotetusti: syntyi lyhyt ylisäteilyn impulssi. Mutta sitten tutkijat havaitsivat jotain odottamatonta – ketjun kapeita ja pitkäikäisiä mikroaaltopulsseja, jotka jatkoivat esiintymistä itsestään. Tämän ilmiön lähteenä olivat sisäiset spin-spin-vuorovaikutukset, jotka eivät tuhonneet kvanttikohinaisuutta, vaan päinvastoin ”käynnistivät” säteilyn uudelleen.
Tietokonemallinnus osoitti, että kollektiiviset vuorovaikutukset spinien välillä jakavat energian uudelleen järjestelmän sisällä ja asuttavat kvanttitason uudelleen, ylläpitäen vakaata generaatiotilaa. Näin ollen, ensi silmäyksellä satunnaisilta vaikuttavat kvantti-vuorovaikutukset muuttuivat itsestään ylläpitäväksi säteilymekanismiksi – täysin uudentyyppiseksi kollektiiviseksi kvanttikäyttäytymiseksi.
Kirjoittajat korostavat, että tämä löytö muuttaa käsityksiä vuorovaikutusten roolista kvanttijärjestelmissä. Samat prosessit, jotka yleensä estävät kvanttitilojen hallinnan ja johtavat niiden tuhoutumiseen, ovat tässä tapauksessa muodostuneet järjestäytyneen ja erittäin koherentin signaalin lähteeksi.
Tutkimuksen käytännön seuraukset voivat olla merkittävät. Tällaiset itsestään ylläpitävät mikroaaltolähteet ovat potentiaalisesti sopivia erittäin tarkkoihin kvanttisensoreihin, jotka pystyvät havaitsemaan erittäin heikot muutokset magneettisissa ja sähköisissä kentissä. Tällaisia teknologioita tarvitaan lääketieteellisessä kuvantamisessa, materiaalitieteessä, viestintä- ja navigointijärjestelmissä. Laajemmassa mielessä tutkimus osoittaa, kuinka kvanttifysiikan perustavanlaatuiset ilmiöt voivat suoraan johtaa uusiin välineisiin tieteelle ja teollisuudelle.
