EMBARGO 8.7.2016: Uusi ennätys fotonien havaitsemisessa

Ennätys tehtiin ilmaisimella, joka oli osittain suprajohtava. Löytö voi johtaa äärimmäisen herkkien kameroiden ja kvanttitietokoneiden oheislaitteiden rakentamiseen.
Ensimmäinen kahdesta ennätykseen johtaneesta edistysaskeleesta oli uusi ilmaisimen rakenne, jossa pienenpieniä suprajohtavia alumiinin palasia on kytköksissä kultaiseen nanolankaan. Tämä järjestely takasi sekä tehokkaan fotonien imeytymisen että hyvin herkän ilmaisimen lukumenetelmän. Ilmaisin on kokonaisuudessaan pienempi kuin punasolu.
“Meille koolla on väliä. Mitä pienempi, sitä parempi. Pienemmillä ilmaisimilla saamme suuremman lukusignaalin ja halvemman hinnan massatuotannossa”, sanoo Mikko Möttönen, joka on ennätyksen rikkoneen Kvanttilaskennan ja -laitteiden tutkimusryhmän johtaja.
Uusi ilmaisin toimii sadasosa-asteen päässä absoluuttisesta nollapisteestä. Näin kylmässä lämpöliikkeestä tulevat häiriöt ovat niin heikkoja, että tutkijat onnistuivat havaitsemaan vain yhden zeptojoulen kokoisia energiapaketteja. Näin pienellä energialla voi nostaa punasolun vain yhden nanometrin verran.
Toinen edistysaskel liittyy ilmaisimen signaalin lukemiseen, mihin tutkijat käyttivät niin kutsuttua positiivista takaisinkytkentää. Toisinsanottuna ulkoinen tehonlähde voimisti energiapakettien imeytymisestä johtuvia lämpötilan muutoksia.
Tieteellisestä löydöstä tuotteisiin
Koska mikroaallot kulkevat seinien läpi, niitä käytetään nykyään lähes kaikessa langattomassa viestinnässä, kuten kännyköissä ja digitelevisioissa. Siksi entistä herkemmät mikroaaltoilmaisimet saattavat johtaa valtaviin edistysaskeliin viestintä- ja mittaustekniikassa.
Euroopan tutkimusneuvosto (ERC) on juuri myöntänyt Möttöselle kovasti kilpaillun Proof-of-Concept -apurahan, uuden mikroaaltoilmaisimen kehittämiseksi kohti kaupallisia sovelluksia. Tämä on jo kolmas Möttöselle myönnetty ERC-apuraha.
Viestinnän lisäksi uutta ilmaisinta voitaisiin hyödyntää rakenteilla olevassa suprajohtavassa kvanttitietokoneessa.
"Yksittäisiä mikroaaltofotoneja osataan jo tehdä suprajohtavilla laitteilla. Niiden tehokas havaitseminen on kuitenkin edelleen ratkaisematta. Nyt olemme ottaneet suuren harppauksen kohti ongelman ratkaisua lämpötilamittaukseen perustuvassa lähestymistavassa", kertoo Joonas Govenius, joka pääasiallisesti suoritti tutkimuksen käytännössä.
Uutta fysiikkaa
Mikroaaltoilmaisin voi olla hyödyllinen myös pienten systeemien termodynamiikassa. Se on uusi tutkimusala, jota Möttönen on kolunnut Aalto-yliopiston professorin Jukka Pekolan johdossa.
Nyt Pekola ja hänen tutkimusryhmänsä haluavat mennä kvanttirajalle, mutta tähän he tarvitsevat ilmaisimen, joka suoriutuu yksittäisten energiakvanttien mittauksesta. Toisin sanottuna ilmaisimen pitää havaita tarkasti yksittäisiä mikroaaltofotoneja.
“Kvanttitermodynamiikka voi johtaa teknologian pyrähdykseen, koska se käsittelee yksittäisiä kvantteja tai hiukkasia ja on siksi paljon tarkempi kuin perinteinen termodynamiikka”, miettii Möttönen.
“Myös muut ryhmät, Pekolan ryhmä mukaan luettuna, kehittelevät yksittäisten mikroaaltofotonien ilmaisinta. Tämä on tosi hienoa, koska voimme oppia toisiltamme ja näin kehittää vieläkin parempia tuotteita”, Möttönen iloitsee.
Tutkimusartikkeli:
Joonas Govenius, Russell E. Lake, Kuan Yen Tan ja Mikko Möttönen,
"Detection of zeptojoule microwave pulses using electrothermal feedback in proximity-induced Josephson junctions"
Physical Review Letters 117 (2016)
Tutkimusartikkeli julkaistaan 8.7.2016. Tutkimusartikkeli luettavissa tältä sivulta.
Linkki vapaasti saatavilla olevaan vastaavaan artikkeliin.
Täysresoluutioiset kuvat ladattavissa dropbox-palvelusta (salasana: mOttOnen0807)
Kuvia saa käyttää maksutta tästä työstä tehdyissä julkaisuissa.
Avainsanat
Yhteyshenkilöt
Mikko Möttönen, dosentti
Aalto-yliopisto
Teknillisen fysiikan laitos, QCD Labs
mikko.mottonen@aalto.fi
puh 050 594 0950
Twitter: @mpmotton
blogs.aalto.fi/quantum
physics.aalto.fi/qcd
Joonas Govenius
Aalto-yliopisto
Teknillisen fysiikan laitos, QCD Labs
joonas.govenius@aalto.fi
puh 050 435 3975
Kuvat



Linkit
Tietoja julkaisijasta
Aalto-yliopistossa tiede ja taide kohtaavat tekniikan ja talouden. Rakennamme kestävää tulevaisuutta saavuttamalla läpimurtoja avainalueillamme ja niiden yhtymäkohdissa. Samalla innostamme tulevaisuuden muutoksentekijöitä ja luomme ratkaisuja maailman suuriin haasteisiin. Yliopistoyhteisöömme kuuluu 12 000 opiskelijaa ja yli 4000 työntekijää, joista 400 on professoreita. Kampuksemme sijaitsee Espoon Otaniemessä.
Tilaa tiedotteet sähköpostiisi
Haluatko tietää asioista ensimmäisten joukossa? Kun tilaat tiedotteemme, saat ne sähköpostiisi välittömästi julkaisuhetkellä. Tilauksen voit halutessasi perua milloin tahansa.
Lue lisää julkaisijalta Aalto-yliopisto
Tutkimus: Lisääntyneet sään ääri-ilmiöt heikentävät eri viljelykasvien satoja maailmanlaajuisesti, vehnä suurin kärsijä23.3.2023 14:55:16 EET | Tiedote
Viljelijöiden riski kohdata sään ääri-ilmiö kasvoi tutkimusjaksolla joka puolella maailmaa.
Aalto-yliopiston akateeminen tulos pysyi hyvällä tasolla vuonna 2022 rahoituksen vähenemisestä huolimatta17.3.2023 12:30:06 EET | Tiedote
Aalto-yliopiston hallitus hyväksyi kokouksessaan 15.3.2023 hallituksen toimintakertomuksen ja tilinpäätöksen vuodelta 2022.
Kestävyysraportointikilpailu jää tauolle16.3.2023 11:05:42 EET | Uutinen
Kilpailun sijaan järjestäjäryhmä haluaa suunnata voimavaransa kestävyysraportoinnin kehittämiseen.
Tutkijat pääsivät kvanttiturbulenssin jäljille – turbulenssin ymmärtämisestä voi olla apua niin sään ennustamisessa kuin autojen suunnittelussakin14.3.2023 09:54:25 EET | Tiedote
Tutkijat ovat onnistuneet ensimmäistä kertaa osoittamaan energian katoamisen tavan kvanttiturbulenssissa lähellä absoluuttista nollapistettä.
Kutsu: Quantum Art Jam kokoaa kvanttifyysikot ja taiteilijat Oodiin perjantaina 17.3.13.3.2023 11:11:00 EET | Kutsu
Yli sata vuotta sitten keksitty kvanttifysiikka on mullistanut käsityksemme todellisuudesta. Jatkuvasti yllätyksiä tarjoava kvanttimaailma on monilta osin kuitenkin edelleen hämärän peitossa. Voiko taide auttaa meitä ymmärtämään kvanttifysiikkaa? Miltä kvanttitaide voisi näyttää?
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