Kokeessa anyoneita törmäytettiin yhden atomikerroksen paksuisella, lähelle absoluuttista nollapistettä jäähdytetyllä pinnalla. Kuva: Manohar Kumar
Kokeessa anyoneita törmäytettiin yhden atomikerroksen paksuisella, lähelle absoluuttista nollapistettä jäähdytetyllä pinnalla. Kuva: Manohar Kumar

Anyonin löytäminen voi auttaa rakentamaan tarkemmin laskevan kvanttitietokoneen.

Hiukkasfysiikan maailma on arkijärjelle outo. Kolmiulotteiseen todellisuuteen tottuneille aivoillemme ajatus kaksiulotteisesta hiukkasesta kuulostaa vielä tavallistakin omituisemmalta ilmestykseltä. Nyt kaksiulotteisen hiukkasen olemassaolosta on kuitenkin todisteet.

Kyseessä ei ole pelkkä kummajainen, vaan löytö saattaa mahdollistaa uudenlaisten kvanttitietokoneiden rakentamisen.

Kaksiulotteinen hiukkanen on nimetty anyoniksi. Arvostettu Science-tiedelehti piti löydöstä niin merkittävänä, että teki siitä kansiuutisensa.

Sisältö jatkuu mainoksen jälkeen

Löydön tehneeseen kansainväliseen ryhmään kuuluu myös Aalto-yliopiston tutkijatohtori Manohar Kumar. Hän vastasi suurimmasta osasta kokeen käytännön työtä.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Kun mennään mahdollisimman pieneen mittakaavaan, kaikki aine koostuu lopulta alkeishiukkasista. Alkeishiukkasia ovat muun muassa atomien elektronit ja positronit, kvarkit ja valon muodostavat fotonit.

Alkeishiukkaset voidaan jakaa kahteen ryhmään, fermioneihin ja bosoneihin. Näistä fermionit muodostavat suurimman osan havaitsemaamme todellisuutta, joista esimerkiksi atomit koostuvat. Bosonit puolestaan välittävät voimia, kuten valoa tai painovoimaa.

Nämä hiukkastyypit eroavat toisistaan siinä, että samanlaiset fermionit hylkivät toisiaan, kun taas bosonit eivät. Kaksi identtistä fermionia ei koskaan voi olla samassa paikassa, mutta bosonit pakkautuvat yhteen.

Näin siis kolmiulotteisessa todellisuudessa. Kaksiulotteisessa tilassa hiukkasten seuraksi ilmestyy kolmannen tyyppisiä hiukkasia, anyoneita. Niitä ei pidä sekoittaa anioneihin, jotka ovat negatiivisesti varautuneita ioneita.

Toisin kuin fermionit tai bosonit, anyonit eivät ole alkeishiukkasia. Ne muodostuvat, kun fermionit eivät voi kaksiulotteisessa tilassa liikkua vapaasti.

Anyonit ovat siis eräänlaisia fermionien yhteenliittymiä, kvasihiukkasia, jotka kuitenkin vuorovaikuttavat hiukkasten tapaan.

Ja mikä kiinnostavinta, niiden käyttäytyminen on monipuolisempaa kuin fermionien ja bosonien, jotka aina joko hylkivät toisiaan tai pakkautuvat yhteen.

Koejärjestely ei ollut ihan helppo. Anyonien luomisen haaste on kahden anyonin saaminen oikealle etäisyydelle toisistaan. Jos anyonit ovat liian kaukana, ne eivät vaikuta keskenään. Jos ne taas ovat liian lähellä, ne häiritsevät toisiaan niin, ettei niitä voi havainnoida.

Aiemmin anyoneita on pyritty luomaan optimaalisesti mitoitetun kaksiulotteisen aitauksen sisään. Kumar otti kokeessa kuitenkin toisen lähestymistavan.

Hiukkaset luotiin niiden mittakaavassa laajaan kaksiulotteiseen galiumarseniditasoon. Se vastaa kooltaan vain ihmishiuksen halkaisijaa. Tasosta hiukkaset ohjattiin kohtaamaan toisensa magneeteilla luotujen väylien avulla.

Koko järjestelmä piti jäähdyttää lähelle absoluuttista nollapistettä, jotta häiriöt pysyivät mahdollisimman pieninä.

Väylien avulla anyonit saatiin vietyä hiukkastörmäyttimeen eli eräänlaiseen risteykseen, jossa niiden toimintaa saatettiin seurata. Jos siinä kohtaa kaksi fermionia, ne jatkavat aina matkaansa eri suuntiin. Bosonit taas lyöttäytyvät aina yhteen.

Anyoneilla tulos vaihteli – aivan kuten ennustettiin.

”Yleensä anyonit lyöttäytyivät yhteen kuten bosonit, mutta joskus ne lähtivät eri suuntiin fermionien lailla”, Kumar kertoo.

Emme kohtaa kaksiulotteisia hiukkasia arjessamme. Periaatteessa kyse oli perustutkimuksesta ilman suoraa käytännön sovellusta.

Anyonit saattavat silti olla tie kohti uudenlaista, topologista kvanttitietokonetta, sanoo Aalto-yliopiston kvanttiteknologian professori Mikko Möttönen.

Topologinen kvanttikone olisi toimiessaan vähemmän altis virheille kuin muut kvanttitietokoneet. Muun muassa Nokia ja Microsoft pyrkivät kehittämää tällaista laitetta.

Neutroni
Seuraa 
Viestejä34608

Stalker kirjoitti:
Mutku, mutku, alkeishiukkasethan ovat pistemäisiä, olettehan samaa mieltä :)

Jäikö siis jotain välistä, kun hypättiin suoraan 2D:hen?

Joltain on nyt jäänyt välistä kvanttimekaniikka, joka pilasi pisteet joskus sata vuotta sitten.

dunno314
Seuraa 
Viestejä5

Kaksiulotteiseen galiumarseniditasoon? Atomit ovat kolmiulotteisia, joten miten niistä voi luoda rakenteen, jolla on vain kaksi ulottuvuutta? Vaikka kaikki atomit olisivat yhdessä kerroksessa, niin tulos on silti kolmiulotteinen.

Sisältö jatkuu mainoksen alla