Weylin metamateriaalien kaareva geometria mahdollistaa elektroniset innovaatiot

02.11.2017

Keinotekoinen kvanttimateriaali käyttää yleistä suhteellisuusteoriaa muun muassa elektronisissa näkymättömyyslaitteissa.

a) Weylin semimetallien ominaisuuksia voi kontrolloida paikallisella materiaaliparametrien manipulaatiolla. b) Varauksenkuljettajien tuntemaa paikallista geometriaa voidaan säätä sopivalla materiaalin ominaisuuksien muokkauksella. Kuva: Teemu Ojanen.

Uudessa tutkimuksessaan Aalto-yliopiston tutkijat Alex Westström ja Teemu Ojanen mallintavat varauksenkuljettajien manipuloitua liikettä Weylin metamateriaaleissa. Siten he voivat luoda keinotekoisen kaarevan geometrian materiaalin sisään.

“Ehdottamamme materiaali, jossa varauksenkuljettajat liikkuvat kuten relativistiset hiukkaset kaarevassa avaruudessa, on pienoiskokoinen testilaboratorio kaarevan avaruuden kvanttifysiikalle ja kosmologian ilmiömaailmalle”, kiteyttää Alex Westström.  

Weylin semimetallit ovat aktiivisesti tutkittuja puolijohdemateriaaleja. Koska aineen varauksenkuljettajat käyttäytyvät valonnopeudella liikkuvien massattomien hiukkasten kaltaisesti, niiden liike muistuttaa Einsteinin erityisen suhteellisuusteorian fysiikkaa. Weylin metamateriaaleissa varauksen kuljettajat liikkuvat kaarevassa avaruudessa ja imitoivat yleisen suhteellisuusteorian ilmiömaailmaa.

“Weylin metamateriaalit tarjoavat teoreettisen mahdollisuuden täysin uuden tyyppisiin elektroniikan sovelluksiin, kuten optiikasta tuttuihin fokusoiviin linsseihin”, kertoo Aalto-yliopiston dosentti Teemu Ojanen.

Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria kuvaa gravitaatiota aika-avaruuden kaarevana geometriana, joka määrää kappaleiden liikkeet planeetoista galakseihin. Weylin metamateriaalien teoria yhdistelee kiinteän olomuodon fysiikan, hiukkasfysiikan ja yleisen suhteellisuusteorian ideoita.

Weylin metamateriaalien keinotekoinen kaareva geometria tarjoaa yllättäen myös aivan uuden näkökulman elektroniikan sovelluksiin. Varauksenkuljettajien liikettä voi ohjailla luomalla toivottu geometria materiaaliin.

“Optiikassa on vuosisatojen ajan tiedetty, että valo kulkee nopeinta reittiä. Jos väliaineilla luotu valon tuntema geometria on kaareva, valon säteet kulkevat käyräviivaista reittiä. Optisissa näkymättömyyslaitteissa säteet kiertävät kätketyn esineen. Vastaavan toiminnallisuuden toteuttaminen elektroniikan järjestelmissä voisi mullistaa koko tutkimusalan”, kuvailee Ojanen.  

Tutkimus ilmestyi Physical Review X 7 -lehdessä 29.10.2017. Tutkimus on suoritettu Aalto-yliopiston Fysiikan laitoksella Theory of Quantum Matter -tutkimusryhmässä.

Lisätietoja:

Teemu Ojanen
Dosentti
Aalto-yliopisto
teemu.ojanen@aalto.fi

Physics Central