Aalto-yliopisto

Tutkijat löysivät uuden kvanttihiukkasen - pallosalamaa muistuttavan skyrmionin

Jaa

Solmumainen skyrmioni voi auttaa tutkijoita pitämään plasmapalloa koossa tehokkaasti, mistä saattaa olla hyötyä tulevaisuuden fuusioreaktoreissa.

Taiteellinen näkemys kvanttimekaanisesta pallosalamasta. Kuva: Heikka Valja.
Taiteellinen näkemys kvanttimekaanisesta pallosalamasta. Kuva: Heikka Valja.

EMBARGO: JULKAISUKIELTO PE 2.3.2018 KLO 21.00 ASTI

Aalto-yliopiston ja yhdysvaltalaisen Amherst Collegen tutkijat ovat ensi kertaa onnistuneet luomaan kvanttikaasussa kolmiulotteisen skyrmionin. Se ennustettiin teoreettisesti yli 40 vuotta sitten, ja nyt se on havaittu myös kokeellisesti.

”Olemme luoneet keinotekoisen sähkömagneettisen solmun, kvanttipallosalaman, vain kahden vastakkaiseen suuntaan pyörivän sähkövirran avulla. Pidän siksi mahdollisena, että luonnollinen pallosalama voisi syntyä tavanomaisessa salamaniskussa”, kertoo tutkimuksen teoreettisesta osuudesta vastannut tutkija Mikko Möttönen.

Hän kertoo myös nähneensä itse talon sisään syöksyneen pallosalaman. Vastaavia havaintoja on tehty läpi historian, mutta fyysisiä todisteita on vähän.

Magneettisten momenttien eli spinien muodostamat solmut luodaan erittäin harvassa ja kylmässä kvanttikaasussa. Spinien muodostamilla solmuilla on monia pallosalamaa muistuttavia ominaisuuksia. Joidenkin tutkijoiden mukaan pallosalama koostuu varautuneiden hiukkasvirtojen kietoutuneista vyyhdeistä.

Kvanttikaasun atomien liike vastaa varautunutta hiukkasta pallosalaman solmumaisessa magneettikentässä. Solmujen kestävyys voi olla syy siihen, miksi pallosalama tai plasmapallo elää yllättävän pitkään verrattuna salamaniskuun. Nyt saavutetut tutkimustulokset voivat innoittaa löytämään uusia tapoja pitää plasmapallo koossa myös fuusioreaktorin sisällä.

”Pitää tutkia tarkemmin, voiko tällaisella menetelmällä saada aikaan myös oikeita pallosalamia. Jatkotutkimus voisi johtaa esimerkiksi nykyistä vakaampaan fuusioreaktoriin, kun plasmaa voitaisiin pitää koossa nykyisiä keinoja tehokkaammin”, tarkentaa Möttönen.

Spinit pyörivät skyrmionissa ja saavat aikaan kestävän solmun

”Kvanttikaasu jäähdytetään hyvin kylmäksi, Bosen-Einsteinin kondensaatiksi, jossa kaikki atomit päätyvät matalimman energian tilaan. Silloin se käyttäytyy kuin jättimäinen atomi tavanomaisen kaasun sijaan”, kuvailee tutkimuksen kokeellisesta osuudesta vastannut professori David Hall.

Skyrmioni luodaan alkutilasta, jossa jokaisen atomin magneettinen momentti eli spin osoittaa ylöspäin, kuten myös luonnollinen magneettikenttä. Sitten magneettikenttää muutetaan niin, että sen nollakohta asettuu kaasusta muodostuvan kondensaatin keskelle. Spinit lähtevät pyörimään kussakin paikassa olevan magneettikentän suunnan ympäri. Koska magneettinen kenttä osoittaa kaikkiin mahdollisiin suuntiin nollakohdan lähellä, spinit kiertyvät solmuun.

Skyrmionin solmumaisessa rakenteessa kukin alue, jossa spin osoittaa tiettyyn samaan suuntaan, muodostaa rinkulan, ja eri rinkulat menevät toistensa läpi. Siksi solmua voidaan löysätä tai sitä voidaan siirtää, mutta ei rikkoa.

”Skyrmionin ja kvanttisolmun erottaa siitä, että skyrmionissa spinit eivät vain kierry solmulle, vaan myös kondensaatin kvanttivaihe pyörii ympäri”, kertoo Hall.

Jos atomien spinin suunta muuttuu kondensaatin sisällä, kondensaatti käyttäytyy kuin se olisi varattu hiukkanen luonnollisessa magneettikentässä. Solmussa oleva spinien rakenne saa aikaan tällaisen keinotekoisen magneettikentän, joka on täsmälleen erään pallosalaman mallin mukainen magneettikenttä.

Avainsanat

Yhteyshenkilöt

Mikko Möttönen, Aalto-yliopisto
mikko.mottonen@aalto.fi
puh. 050 5940 950 (GMT +2)

David Hall, Amherst College
dshall@amherst.edu
puh. +1 413 542 2072 (GMT -5)

Kuvat

Taiteellinen näkemys kvanttimekaanisesta pallosalamasta. Kuva: Heikka Valja.
Taiteellinen näkemys kvanttimekaanisesta pallosalamasta. Kuva: Heikka Valja.
Lataa
Näkymä koelaitteiston tyhjiökammioon, jossa kolmedimensioinen skyrmioni luotiin. Kuva: Russell Anderson.
Näkymä koelaitteiston tyhjiökammioon, jossa kolmedimensioinen skyrmioni luotiin. Kuva: Russell Anderson.
Lataa
Leikkaus pallomaisen skyrmionin rakenteesta. Skyrmionin muodostavan kentän tilaa kuvataan kolmikolla, jossa on kolme kohtisuoraa akselia. Kolmikon suunta muuttuu jatkuvasti skyrmionin sisällä ja saa kaikki mahdolliset suunnat kahdesti. Kolmikon vihreä kärki osoittaa spinin suunnan. Kaikki kolmikot, joilla on sama spinin suunta, muodostavat suljetun käyrän, joita on piirretty kuvaan kolme (keltainen, violetti ja oranssi). Kukin tällainen rengas lävistää kaikki muut renkaat kerran, mistä syntyy solmumainen rakenne. Kuva: David Hall
Leikkaus pallomaisen skyrmionin rakenteesta. Skyrmionin muodostavan kentän tilaa kuvataan kolmikolla, jossa on kolme kohtisuoraa akselia. Kolmikon suunta muuttuu jatkuvasti skyrmionin sisällä ja saa kaikki mahdolliset suunnat kahdesti. Kolmikon vihreä kärki osoittaa spinin suunnan. Kaikki kolmikot, joilla on sama spinin suunta, muodostavat suljetun käyrän, joita on piirretty kuvaan kolme (keltainen, violetti ja oranssi). Kukin tällainen rengas lävistää kaikki muut renkaat kerran, mistä syntyy solmumainen rakenne. Kuva: David Hall
Lataa
Muutama valittu synteettisen magneettikentän kenttäviiva, jotka sijaitsevat samassa paikassa skyrmionin kanssa. Kukin kenttäviiva muodostaa suljetun käyrän, joka lävistää kaikki muut kenttäviivakäyrät kerran. Kuva: David Hall.
Muutama valittu synteettisen magneettikentän kenttäviiva, jotka sijaitsevat samassa paikassa skyrmionin kanssa. Kukin kenttäviiva muodostaa suljetun käyrän, joka lävistää kaikki muut kenttäviivakäyrät kerran. Kuva: David Hall.
Lataa
Taiteellinen näkemys kvanttimekaanisesta pallosalamasta. Kuva: Heikka Valja.
Taiteellinen näkemys kvanttimekaanisesta pallosalamasta. Kuva: Heikka Valja.
Lataa

Linkit

Tietoja julkaisijasta

Aalto-yliopisto
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, 11 000 opiskelijaa ja 400 professoria. Kampuksemme sijaitsevat Espoossa ja Helsingissä.

Tilaa tiedotteet sähköpostiisi

Haluatko tietää asioista jo ennen kuin ne uutisoidaan? Kun tilaat tiedotteemme, saat ne sähköpostiisi yhtä aikaa suomalaisen median kanssa. Tilauksen voit halutessasi perua milloin tahansa.

Lue lisää julkaisijalta Aalto-yliopisto

Mediakutsu: Product Design Gala 18.5. - vedenalainen tutkimusalus, pizzarobotti, traktorinkuljettajaa suojaava puettava älykkyys ja paljon muuta11.5.2018 11:54Kutsu

Aallon-yliopiston opiskelijat ovat jälleen tutkineet, ideoineet, koodanneet, rakentaneet ja hikoilleet tuotekehitysongelmien parissa läpi akateemisen vuoden. Vuosi sitten yliopiston ja yritysten yhteistyöhön perustuvalla PDP-kurssilla (product development project) syntyivät muun muassa kaupunkiasuntoon soveltuva tulikivituote ja vartalon 3D-skannauslaite. Nyt monitieteisten ja kansainvälisten tiimien tulokset ja mahtavat prototyypit ovat taas esillä – ja haluamme kutsua teidät niihin tutustumaan.

Mediakutsu: Miten radikaalit innovaatiot ratkaisevat kestävän kehityksen haasteita? Aalto Sustainability Day tuo alan huippututkijat ja päättäjät yhteen9.5.2018 11:24Kutsu

Miten luoda radikaaleja innovaatioita maailmanlaajuisten ekologisten ja sosiaalisten haasteiden ratkaisemiseksi? Millaista sääntelyä tarvitaan kestävän kulutuksen ja tuotannon saavuttamiseksi? Miten tutkimusosaaminen voi tukea YK:n kestävän kehityksen tavoitteiden toimeenpanoa? Tervetuloa kuulemaan eri sektoreiden huippuasiantuntijoita Aalto Sustainability Dayhin!

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 STT Infossa julkaistu materiaali on vapaasti median käytettävissä.

Tutustu uutishuoneeseemme