Hiukkasfysiikan maailma on arkijärjelle outo. Kolmiulotteiseen todellisuuteen tottuneille aivoillemme ajatus kaksiulotteisesta hiukkasesta kuulostaa vielä tavallistakin omituisemmalta ilmestykseltä. Nyt kaksiulotteisen hiukkasen olemassaolosta on kuitenkin todisteet.
Kyseessä ei ole pelkkä kummajainen, vaan löytö saattaa mahdollistaa uudenlaisten kvanttitietokoneiden rakentamisen.
Kaksiulotteinen hiukkanen on nimetty anyoniksi. Arvostettu Science-tiedelehti piti löydöstä niin merkittävänä, että teki siitä kansiuutisensa.
Löydön tehneeseen kansainväliseen ryhmään kuuluu myös Aalto-yliopiston tutkijatohtori Manohar Kumar. Hän vastasi suurimmasta osasta kokeen käytännön työtä.
Anyonit ovat eräänlaisia kvasihiukkasia.
Kun mennään mahdollisimman pieneen mittakaavaan, kaikki aine koostuu lopulta alkeishiukkasista. Alkeishiukkasia ovat muun muassa atomien elektronit ja positronit, kvarkit ja valon muodostavat fotonit.
Alkeishiukkaset voidaan jakaa kahteen ryhmään, fermioneihin ja bosoneihin. Näistä fermionit muodostavat suurimman osan havaitsemaamme todellisuutta, joista esimerkiksi atomit koostuvat. Bosonit puolestaan välittävät voimia, kuten ääntä tai painovoimaa.
Nämä hiukkastyypit eroavat toisistaan siinä, että samanlaiset fermionit hylkivät toisiaan, kun taas bosonit eivät. Kaksi identtistä fermionia ei koskaan voi olla samassa paikassa, mutta bosonit pakkautuvat yhteen.
Näin siis kolmiulotteisessa todellisuudessa. Kaksiulotteisessa tilassa hiukkasten seuraksi ilmestyy kolmannen tyyppisiä hiukkasia, anyoneita. Niitä ei pidä sekoittaa anioneihin, jotka ovat negatiivisesti varautuneita ioneita.
Toisin kuin fermionit tai bosonit, anyonit eivät ole alkeishiukkasia. Ne muodostuvat, kun fermionit eivät voi kaksiulotteisessa tilassa liikkua vapaasti.
Anyonit ovat siis eräänlaisia fermionien yhteenliittymiä, kvasihiukkasia, jotka kuitenkin vuorovaikuttavat hiukkasten tapaan.
Kaksiulotteiset hiukkaset käyttäytyvät vaihtelevasti.
Ja mikä kiinnostavinta, niiden käyttäytyminen on monipuolisempaa kuin fermionien ja bosonien, jotka aina joko hylkivät toisiaan tai pakkautuvat yhteen.
Alkujaan anyonit esitteli teoreettisena löytönä norjalainen fyysikko Jon Magne Leinas vuonna 1977. Toisin kuin voisi luulla, kaksiulotteinen hiukkanen ei jäänyt pelkäksi teoriaksi.
”Vaikka elämme kolmiulotteisessa todellisuudessa, voimme luoda järjestelmiä, joissa on vain kaksi ulottuvuutta – esimerkiksi grafeiinin tai galiumarsenidin kalvoja, joilla on vain yhden atomin verran paksuutta. Näissä hiukkaset eivät voi liikkua kuin kahdessa ulottuvuudessa, eli ne ovat kaksiulotteisia”, Aalto-yliopiston Kumar kertoo.
Vuonna 1984 yksi tutkimusryhmä löysi kaksiulotteisesta järjestelmästä anyoneiksi epäilemiään hiukkasia. Varmuus asiasta saatiin vasta nyt.
Pariisin Ecole Normale Supérieure -yliopiston professorin Gwendal Féven johtamassa tutkimuksessa kaksiulotteiset hiukkaset saatiin käyttäytymään tavalla, joka todisti niiden olevan anyoneita.
Koko järjestelmä piti jäähdyttää lähelle absoluuttista nollapistettä.
Koejärjestely ei ollut ihan helppo. Anyonien luomisen haaste on kahden anyonin saaminen oikealle etäisyydelle toisistaan. Jos anyonit ovat liian kaukana, ne eivät vaikuta keskenään. Jos ne taas ovat liian lähellä, ne häiritsevät toisiaan niin, ettei niitä voi havainnoida.
Aiemmin anyoneita on pyritty luomaan optimaalisesti mitoitetun kaksiulotteisen aitauksen sisään. Kumar otti kokeessa kuitenkin toisen lähestymistavan.
Hiukkaset luotiin niiden mittakaavassa laajaan kaksiulotteiseen galiumarseniditasoon. Se vastaa kooltaan vain ihmishiuksen halkaisijaa. Tasosta hiukkaset ohjattiin kohtaamaan toisensa magneeteilla luotujen väylien avulla.
Koko järjestelmä piti jäähdyttää lähelle absoluuttista nollapistettä, jotta häiriöt pysyivät mahdollisimman pieninä.
Väylien avulla anyonit saatiin vietyä hiukkastörmäyttimeen eli eräänlaiseen risteykseen, jossa niiden toimintaa saatettiin seurata. Jos siinä kohtaa kaksi fermionia, ne jatkavat aina matkaansa eri suuntiin. Bosonit taas lyöttäytyvät aina yhteen.
Anyoneilla tulos vaihteli – aivan kuten ennustettiin.
”Yleensä anyonit lyöttäytyivät yhteen kuten bosonit, mutta joskus ne lähtivät eri suuntiin fermionien lailla”, Kumar kertoo.
Anyonit saattavat olla tie kohti uudenlaista, topologista kvanttitietokonetta.
Emme kohtaa kaksiulotteisia hiukkasia arjessamme. Periaatteessa kyse oli perustutkimuksesta ilman suoraa käytännön sovellusta.
Anyonit saattavat silti olla tie kohti uudenlaista, topologista kvanttitietokonetta, sanoo Aalto-yliopiston kvanttiteknologian professori Mikko Möttönen.
Topologinen kvanttikone olisi toimiessaan vähemmän altis virheille kuin muut kvanttitietokoneet. Muun muassa Nokia ja Microsoft pyrkivät kehittämää tällaista laitetta.
Anyoneihin perustuva kvanttitietokone tarvitsisi anyoneita, joiden kulkema reitti voitaisiin mitata jälkikäteen. Näitä muistillisia anyoneita kutsutaan ei-abelisiksi. Sen sijaan abelisista anyoneista ei voida sanoa, millaista reittiä ne ovat kulkeneet.
Toistaiseksi ei tiedetä, ovatko havaitut anyonit ei-abelisia. Kumar aikoo seuraavaksi paneutua ei-abelisten anyonien etsintään.
”Minulla on uudenlainen koejärjestely, jossa hyödynnän grafeenia. Grafeeni on galiumarsenidinia tasaisempaa ja mahdollistaa näin tarkemmat koejärjestelyt”, Kumar selittää.
Tuloksia hän toivoo saavansa lähivuosien aikana.
