Tutkijat loivat maailman nopeimman Bosen–Einsteinin kondensaatin

Bosen-Einsteinin kondensaatio on kvantti-ilmiö, jossa suuri määrä hiukkasia alkaa käyttäytyä kuin ne olisivat yksi ainoa hiukkanen. Ilmiö sai nimensä Albert Einsteinilta ja Satyendra Nath Boselta, jotka ennustivat sen 1900-luvun alussa.

Tähän päivään mennessä kondensaatteja on nähty monissa eri systeemeissä, esimerkiksi alkaliatomikaasuissa ja puolijohteissa, joihin on kytketty valoa. Nyt Aalto-yliopiston ja Itä-Suomen yliopiston tutkijat ovat onnistuneet luomaan valosta ja sen kanssa vuorovaikuttavista metallielektroneista ja väriainemolekyyleistä kondensaatin, joka muodostuu kaikkia edeltäjiään nopeammin. Tulokset julkaistiin Nature Communications -lehdessä.

Arkielämässä kondensaatio on tuttu ilmiö esimerkiksi kylmään juomatölkkiin kertyvästä huurteesta, joka syntyy, kun vesihöyry tiivistyy tölkin kylmään pintaan. Samaan tapaan kvanttimaailmassa hiukkasten täytyy tavalla tai toisella päästä eroon ylimääräisestä energiastaan kondensoituakseen alimpaan mahdolliseen energiatilaan. Tämä prosessi kestää tyypillisesti millisekunneista noin yhteen pikosekuntiin eli sekunnin biljoonasosaan.

Suomalaistutkijat saivat kuitenkin kondensaatin muodostumaan kymmenen kertaa aiempia ennätyksiä nopeammin, noin sadassa femtosekunnissa. Se on yhteen sekuntiin verrattuna yhtä lyhyt aika kuin päivä verrattuna maailmankaikkeuden ikään.

”Mittausdatan analyysi osoitti, että energian häviäminen tapahtuu stimuloidun prosessin kautta. Toisin sanoen fotonien eli valohiukkasten vuorovaikutus molekyylien kanssa kiihtyy, kun fotonien määrä kasvaa. Tämä ilmiö johtaa hämmästyttävään nopeuteen”, kertoo tutkijatohtori Aaro Väkeväinen.

Kohti sovelluksia

Huippunopeuden todentaminen oli vaikea tehtävä, koska parhaatkaan laboratorioissa normaalisti käytettävät kamerat eivät yllä näihin nopeuksiin. Tutkijat käyttivät aikaskaalan määrittämiseen laserpulssia.

”Kun annoimme näytteelle energiaa 50 femtosekunnin mittaisella laserpulssilla, havaitsimme kondensaatin. Mutta kun pulssin pituus oli 300 femtosekuntia, emme nähneet sitä. Nämä havainnot viittasivat siihen, että kondensaatin täytyy lähteä muodostumaan alle 300 femtosekunnin aikaskaalassa”, kertoo tohtorikoulutettava Antti Moilanen.

Kondensaatista lähtee valonsäde, jossa on suuri määrä fotoneita. Tämä auttaa erottamaan myös korkean energiatilan fotonit ja havaitsemaan niiden jakautumisen eri energiatiloille Bosen ja Einsteinin ennustamalla tavalla.

”Kondensaattimme tuottaa koherentin valonsäteen, joka on 100 000 kertaa kirkkaampi kuin ensimmäinen plasmonikondensaatti, jonka havaitsimme kaksi vuotta sitten. Säteen kirkkaus helpottaa kondensaattiin liittyvää perustutkimusta ja sovellusten kehittämistä”, kertoo akatemiaprofessori Päivi Törmä.

Yhdelle ryhmän tutkimuksesta syntyneelle keksinnölle on juuri myönnetty patentti, ja tutkijat kehittävät keksintöä edelleen esimerkiksi valaistussovelluksiin.

Lisätietoa:

Tutkimusartikkeli: A.I. Väkeväinen, A.J. Moilanen, M. Nečada, T.K. Hakala, K.S. Daskalakis, P. Törmä. Sub-picosecond thermalization dynamics in condensation of strongly coupled lattice plasmons

Quantum Dynamics tutkimusryhmä

Micronova

PREIN – Suomen Akatemian fotoniikan tutkimuksen ja innovaatioiden lippulaiva