Uusi ennätys fotonien havaitsemisessa

08.07.2016

Aalto-yliopiston tutkijat ovat rikkoneet maailmanennätyksen neljätoistakertaisesti termisten fotoni-ilmaisimien energian tarkkuudessa.

Taiteellinen kuva osittain suprajohtavasta mikroaaltoilmaisimesta. Kuva: Ella Maru Studio.

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.

Fig2.png

Mikroaaltoilmaisimesta elektronipiirtomikroskoopilla otettu kuva, jossa metallinen nanolanka on väritetty keltaiseksi ja muut osat ovat suprajohtavaa alumiinia. Fotonit saapuvat ilmaisimeen vasemmalta ja imeytyvät pitkään langan osaan. Tämä johtaa lämpötilan nousuun ja suprajohtavuuden heikkenemiseen langan lyhyissä osissa, jotka toimivat tämän ilmiön vuoksi herkkänä lämpömittarina. Kuva: Joonas Govenius.

- 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.

Fig3edit.jpg

Taiteellinen näkemys mikroaaltoilmaisimesta työssään. Kuva: Heikka Valja.

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).
Artikkeli julkaistaan 8.7.2016.

Linkki vapaasti saatavilla olevaan vastaavaan artikkeliin: http://arxiv.org/pdf/1512.07235.pdf

Lisätietoja:

Mikko Möttönen, dosentti
Aalto-yliopisto
Teknillisen fysiikan laitos
QCD Labs
http://physics.aalto.fi/qcd/
email: mikko.mottonen@aalto.fi
puhelin: +358 50 594 0950
Twitter: @mpmotton
blogi: https://blogs.aalto.fi/quantum/

Joonas Govenius
Aalto-yliopisto
Teknillisen fysiikan laitos
QCD Labs
email: joonas.govenius@aalto.fi
puhelin: +358 50 435 3975