Aalto-yliopisto

Embargo 11.10. klo 12.00: Maailman vähäkohinaisin säteilyilmaisin voi auttaa kvanttitietokoneiden kehityksessä

Jaa

Nanosäteilyilmaisin on myös edeltäjiään sata kertaa nopeampi, ja se pystyy toimimaan ilman taukoja.

Taiteilijan kuva bolometrista. Kuva: Ella Maru Studio.
Taiteilijan kuva bolometrista. Kuva: Ella Maru Studio.

Aalto-yliopiston ja VTT:n tutkijat ovat onnistuneet rakentamaan kultapalladiumista nanokokoisen lämmitykseen perustuvan säteilyilmaisimen eli bolometrin.

”Uusi säteilyilmaisin on äärimmäisen herkkä, ja kohina eli signaalin poukkoilu oikean arvon ympärillä on vain kymmenesosa parhaan kilpailijan kohinasta. Se on myös sata kertaa nopeampi kuin aikaisemmat vähäkohinaiset säteilyilmaisimet”, sanoo Mikko Möttönen, joka toimii Aalto-yliopiston ja VTT:n yhteisprofessorina kvanttiteknologian alalla.

Uudella säteilyilmaisimella sähkömagneettisen säteilyn tehoa voidaan myös mitata reaaliaikaisesti, toisin kuin saman tutkimusryhmän 2016 rakentamalla ilmaisimella, joka piti asettaa alkutilaan aina ennen uutta mittausta.

Tutkimusryhmä teki tutkimusta varten säteilyilmaisimen ensin kullasta. Se meni rikki muutamassa viikossa, sillä kulta ei sovi yhteen alumiinin kanssa, jota käytetään suprajohteena nanosäteilyilmaisimessa. Siksi tutkijat päätyivät käyttämään kultapalladiumseosta, joka on todella kestävä mutta bolometreissa harvinainen materiaali.

”Uuden säteilyilmaisimen salaisuus on materiaalin lisäksi sen todella pieni koko. Säteilyilmaisimen keskellä kulkeva nanolanka on vain noin mikrometrin pituinen, parisataa nanometriä leveä ja muutama kymmenen nanometriä paksu”, sanoo bolometria tutkinut Roope Kokkoniemi Aalto-yliopistosta.

Bolometrien toiminta perustuu mitattavan säteilyn lämmittävään vaikutukseen. Kun bolometri lämpenee, sen sähköiset ominaisuudet muuttuvat, ja tämä voidaan mitata tarkasti. Mitä pienempi bolometri on, sitä vähemmän säteilytehoa sen lämmittäminen vaatii.

”Pienikokoisen säteilyilmaisimen lämpökapasiteetti on pieni, joten heikosta säteilystä saadaan enemmän signaalia”, Roope Kokkoniemi kertoo.

Parempia suojauksia

Säteilyilmaisimia käytetään tällä hetkellä laajasti muun muassa rakennusalalla lämpökameroissa ja satelliiteissa kosmisen säteilyn mittaamisessa. Uusien kehitysaskelien myötä ne voivat löytää tiensä myös kvanttitietokoneisiin.

”Kvanttitietokoneet toimivat kryostaateissa eli äärimmäisen kylmissä superpakastimissa. Niissä pienikin ylimääräinen säteily tuottaa paljon häiriötä. Koska nanobolometri on hyvin herkkä, sillä voisi kätevästi mitata ylimääräisen säteilyn tasoa kryostaatissa, ja vähentää säteilyä paremmilla suojauksilla”, Möttönen kertoo.

Bolometria voitaisiin hyödyntää myös kvanttitietokoneen bittien eli kubittien tilan mittaamisessa. Sitä varten bolometrin tulisi olla vielä nopeampi.

”Jotta kvantti-informaatiota voidaan lukea useita kertoja peräkkäin ilman, että informaatio ehtii mittausten välissä kadota, täytyy bolometrin nopeutta lisätä vielä noin satakertaiseksi”, Mikko Möttönen kertoo.

Jos uusi säteilyilmaisin saadaan toimimaan avaruudessa yhtä hyvin kuin laboratoriossa, sillä voidaan myös mitata kosmista taustasäteilyä nykyistä tarkemmin.

Tutkimuksessa kehitettiin myös mikroaaltovahvistimia. Niiden tehtävä on vahvistaa signaalia, mutta ne voivat samalla lisätä kohinaa. VTT:n tutkijat kehittivät suprajohtavan mikroaaltovahvistimen, joka toimii alhaisessa lämpötilassa. Se onnistui puolittamaan bolometrin kohinan siitä, mihin parhaalla kaupallisella vahvistimella päästään.

Bolometri kehitettiin Mikko Möttösen johtamassa Kvanttilaskennan ja -laitteiden tutkimusryhmässä. Artikkeli julkaistaan Communications Physics -lehdessä 11. lokakuuta.

Artikkeli:

R. Kokkoniemi et al., Nanobolometer with Ultralow Noise Equivalent Power, Communications Physics, DOI 10.1038/s42005-019-0225-6, https://doi.org/10.1038/s42005-019-0225-6; Ennen embargon raukeamista artikkeli löytyy osoitteesta https://arxiv.org/pdf/1806.09397

Avainsanat

Yhteyshenkilöt

Mikko Möttönen
Kvanttiteknologian professori
Aalto-yliopisto ja VTT
puh. 050 594 0950
mikko.mottonen@aalto.fi

Kuvat

Taiteilijan kuva bolometrista. Kuva: Ella Maru Studio.
Taiteilijan kuva bolometrista. Kuva: Ella Maru Studio.
Lataa
Väritetty elektronimikroskooppikuva bolometrista. Kuvan vasemmassa alakulmassa oleva ovaalin muotoinen tumma kohta esittää 1.3 mikrometriä pitkää ralstonia mannitolilytica -bakteeria. Kuva: Roope Kokkoniemi/Aalto-yliopisto.
Väritetty elektronimikroskooppikuva bolometrista. Kuvan vasemmassa alakulmassa oleva ovaalin muotoinen tumma kohta esittää 1.3 mikrometriä pitkää ralstonia mannitolilytica -bakteeria. Kuva: Roope Kokkoniemi/Aalto-yliopisto.
Lataa

Linkit

Tietoja julkaisijasta

Aalto-yliopisto
PL 18000
00076 AALTO

09 47001, viestinta@aalto.fihttp://aalto.fi

Aalto-yliopisto. Kohti parempaa maailmaa. Aalto-yliopisto on rohkeiden ajattelijoiden yhteisö, jossa tiede ja taide kohtaavat tekniikan ja talouden. Tunnistamme ja ratkaisemme yhteiskunnan suuria haasteita ja rakennamme innovatiivista tulevaisuutta. Yliopistossa on kuusi korkeakoulua, 12 000 opiskelijaa ja 400 professoria. Kampuksemme sijaitsee Espoon Otaniemessä.

Tilaa tiedotteet sähköpostiisi

Haluatko tietää asioista ensimmäisten joukossa? Kun tilaat mediatiedotteemme, saat ne sähköpostiisi välittömästi julkaisuhetkellä. Tilauksen voit halutessasi perua milloin tahansa.

Lue lisää julkaisijalta Aalto-yliopisto

Uutishuoneessa voit lukea tiedotteitamme ja muuta julkaisemaamme materiaalia. Löydät sieltä niin yhteyshenkilöidemme tiedot kuin vapaasti julkaistavissa olevia kuvia ja videoita. Uutishuoneessa voit nähdä myös sosiaalisen median sisältöjä. Kaikki tiedotepalvelussa julkaistu materiaali on vapaasti median käytettävissä.

Tutustu uutishuoneeseemme