Higgsin bosoneja, puolikvanttipyörteitä ja Q-palloja : löytöretki helium-3 -maailmankaikkeudessa

Samuli Autti

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Supranesteet ovat jo vuosikymmenien ajan olleet kvanttifysiikan tutkimuksen kapeassa kärjessä, erityisesti mitä tulee makroskooppisten kvantti-ilmiöiden tutkimiseen. Siinä missä tämänhetkiset suuret virtaukset fysiikan tutkimuksessa kulkevat kohti varta vasten suunniteltuja kohdesysteemejä - taustalla on kvanttitietokoneen kaltaisten kvanttilaitteiden kiihtyvä tavoittelu - supranesteytyvät heliumin isotoopit ovat perinteisesti tarjonneet luonnollisen, taipuisan ja siten likipitäen ainut-laatuisen kurkistusikkunan kvanttifysiikan monimutkaiseen maailmaan. Supraneste helium-3, johon paneudumme tässä väitöskirjassa, on täsmällisesti kuvattavissa oleva kvanttisysteemi jonka lähes loppumattomat yksityiskohdat pystytään tarkoin hallitsemaan ja ymmärtämään matemaat-tisesti. Tarkoituksenani on osoittaa, kuinka tuollaisesta monipuolisudesta nousee esiin ilmiöiden joukko, jolla on yhteyksiä kosmologian kaltaisiin kaukaisilta vaikuittaviin fysiikan aloihin. Kokeellinen Helium-3 -supranesteen käsittely edellyttää hienostuneita jäähdytys- ja mittaus-menetelmiä. Käyttämässämme pyörivässä jäähdytyslaitteessa näytteen jäähdyttäminen tapahtuu nk. ydindemagnetointiastetta käyttäen, ja mittaukset tehdään ydinmagneettista resonassia (NMR) hyödyntäen. Eräs erityisen tehokas NMR-instrumentti saadaan, kun magneettisten kvasihiuk-kasten Bosen-Einsteinin -kondensaatti vangitaan keskelle supranestenäytettä. Käytimme tätä menetelmää supranesteen magneettisten yksityiskohtien, kuten muutoin hankalasti lähestyttävien Higgsin tilojen tarkasteluun. Käytimme kondensaatteja myös itsensä liikkuessaankin koossa-pitävien, nk. Q-palloaaltojen rakentamisessa, mikä edellytti kondensaattien yksityiskohtaista ymmärtämistä ja kuvaamista sekä kokeissa, että numeerisia malleja hyödyntämällä. Magnon-kondensaatin spektri määrittyy magneettikentän profiilin ja supranesteen järjestysparametrin yhteispelin seurauksena. Kondensaatti menettää jatkuvasti energiaa pääasiassa supranesteessä muodostuvien häviöllisten spinvirtausten seurauksena. Tämä prosessi on voimakkaan lämpötilariippuva, joten sitä voidaan käyttää myös supranesteen lämpötilan mittaamisessa. Väitöskirjani huomattavin tulos on löytämämme helium-3:n puolikvanttipyörteet. Löydön tärkeyttä kuvastaa Nobelvoittaja Anthony Leggettin toteamus, että kauan etsittyjen puolikvantti-pyörteiden olemassaolo on tärkein supranestefysiikan avoin ongelma. Jo kvanttifysiikan nimi viittaa siihen, että suureet kuten energia ja liikemäärä kulloinkin tarkasteltavassa systeemissä voivat muuttua vain tietyn kokoisissa paloissa, nk. kvanteissa. Siksi ainoastaan puolikkaan nesteen kiertävän virtauksen kvantin sisältävien pyörteiden löytäminen on paitsi lähtökohtaisesti kiehtovaa, myös osoitus taustalla olevan kvanttifysiikan syvällisestä ymmärryksestä.
Julkaisun otsikon käännösHiggsin bosoneja, puolikvanttipyörteitä ja Q-palloja : löytöretki helium-3 -maailmankaikkeudessa
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Hakonen, Pertti, Vastuuprofessori
  • Eltsov, Vladimir, Ohjaaja
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-60-7394-1
Sähköinen ISBN978-952-60-7393-4
TilaJulkaistu - 2017
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

Tutkimusalat

  • supraneste
  • puolikvanttipyörre
  • Q-pallo
  • magneettinen kvasihiukkanen
  • Bosen-Einsteinin -kondensaatti
  • Higgsin bosoni

Sormenjälki Sukella tutkimusaiheisiin 'Higgsin bosoneja, puolikvanttipyörteitä ja Q-palloja : löytöretki helium-3 -maailmankaikkeudessa'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä