Fyysikko Mika A. Sillanpää sai jo kolmannen EU:n miljoonarahoituksen – uusi tutkimushanke sovittaa yhteen kvanttimekaniikkaa ja yleistä suhteellisuusteoriaa

Aalto-yliopiston professori Mika A. Sillanpää on saanut Euroopan tutkimusneuvostolta 2,5 miljoonan euron ERC Advanced Grant -rahoituksen GUANTUM-hankkeelle. Hankkeen tavoitteena on todeta painovoiman vaikutus kahden kultapallon kvanttimekaanisiin tiloihin ja värähtelyyn hyvin pienessä mittakaavassa ja äärimmäisen matalissa lämpötiloissa.

”Yritämme ratkaista tutkimuksella fysiikan sata vuotta vanhaa arvoitusta: sitä, että yleinen suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka eivät tule toimeen keskenään”, Sillanpää sanoo.

Yleinen suhteellisuusteoria kuvaa maailmankaikkeutta, aika-avaruutta ja painovoimaa eli gravitaatiota. Kvanttimekaniikka taas on fysiikan osa-alue, joka tutkii atomien ja molekyylien kokoluokan hiukkasia. Kvanttimekaanisen järjestelmän sisäisiä gravitaatiovoimia ei ole koskaan havaittu, eivätkä tutkijat ole pystyneet luomaan molemmat kattavaa teoriaa. Tämän Sillanpää ryhmineen haluaa tutkimushankkeellaan muuttaa.

GUANTUM-hankkeessa tutkijat tuovat herkkinä värähtelijöinä toimivat, halkaisijaltaan puolen millimetrin kokoiset ja milligramman painoiset kultapallot kvanttimekaaniseen tilaan. Se on äärimmäisen suljettu järjestelmä, jossa ilmiöt voivat olla arkikäsityksen vastaisia. Samalla he havainnoivat erittäin heikkoa painovoimaa, joka saa kultapallot vetämään toisiaan puoleensa.

Kokeessa kumpikin kultapallo lepää hyvin ohuen kalvon päällä siten, että pallot ovat lähellä toisiaan ja pääsevät värähtelemään.

”Valitsimme kullan siksi, että se on erittäin tiheää eli sen gravitaatio on maksimoitu, vaikka kultapallon koko onkin suhteellisen pieni. Alustavan datan perusteella värähtelijän hyvyysluku oli uskomattoman hyvä eli kvanttimekaanisen järjestelmän energian häviö on pieni”, Sillanpää sanoo.

Kovaa puurtamista ja tähtihetkiä

Sillanpään tutkimusryhmä on valmis kokeilemaan kullan lisäksi muitakin alkuaineita. Esimerkiksi osmium on hyvin tiheä mutta harvinainen alkuaine, joka suprajohteena soveltuu sähköisten energiahäviöiden minimoimiseen, suprajohteessa kun ei ole sähköisiä häviöitä. Myös näytteen ohutkalvossa voi testata erilaisia materiaaleja ja sen antenneissa käyttää alumiinin sijasta muita suprajohteita, joissa on vielä pienemmät häviöt.

”Näytteen valmistus ja muukin osa tutkimuksesta on kovaa puurtamista. Vastaan voi tulla täysin yllättäviä ongelmia - sen näkee vasta sitten kun kokeilee”, Sillanpää kertoo.

Kvanttimekaanisten tilojen havaitseminen gravitaation rinnalla etenee tutkimuksessa askel askeleelta. Ensimmäisessä vaiheessa tutkijat etsivät itse gravitaatiovoiman milligramman massojen välillä. Läheskään näin pienten massojen välistä painovoimaa ei ole koskaan tutkimuksissa havaittu, eikä ole selvää, päteekö normaali painovoiman laki näin pienessä mittakaavassa.

Seuraavaksi Sillanpään ryhmä tavoittelee gravitaation havaitsemista tilanteessa, jossa kultapallojen sisäinen kvanttimekaaninen epämääräisyys hallitsee niiden värähtelyä. Viimeisessä vaiheessa he pyrkivät havaitsemaan näytteessä kaikkein kvanttimekaanisimman tilan eli lomittumisen gravitaation ohessa. Sillanpään on ryhmineen julkaissut lomittumisesta eli kvanttimekaniikan haamuvuorovaikutuksesta Nature-lehden artikkelin vuonna 2018.

”On mahtavaa päästä ratkaisemaan ihmiskunnan suurimpia ratkaisemattomia kysymyksiä, vaikka laboratoriossa tähtihetket ovatkin harvassa. Kokeessa voi esiintyä nykyfysiikalle tuntemattomia ilmiöitä, kun värähtelijät saadaan kvanttimekaaniseen tilaan ja samalla niiden välillä on merkittävä painovoiman vuorovaikutus. Lähes aina olemme kuitenkin loppujen lopuksi onnistuneet tavoitteessamme”, Sillanpää sanoo.

Hankkeessa hyödynnetään OtaNano-infrastruktuuria, ja osa ERC-rahoituksesta menee uuden kryostaatin eli jäähdytyslaitteen hankintaan. Sen valmistaa Aalto-taustainen, kvanttiteknologiaan erikoistunut kotimainen spinoff-yritys Bluefors, ja se soveltuu hyvin pienien värähtelyjen mittaamiseen.

”Tämäntyyppiset mittaukset ovat hyvin herkkiä matalataajuisille häiriöille, jotka häiritsevät etsimiämme ilmiöitä. Näytteet lähtevät hyvin helposti itsekseen värähtelemään esimerkiksi tärinän vaikutuksesta”, Sillanpää sanoo.

Kvanttimekaniikkaa hyödynnetään esimerkiksi äärimmäisen tarkkojen mittausten teknologisessa kehityksessä ja kvantti-informaatiossa.