Kvantpõimitust loetakse kvantmaailma üheks suurimaks „veidruseks“. Üheks näiteks on põimitud valguskvantide (footonite) paarid – ühe footoni mõõtmistulemusest sõltub hetkeliselt ka teise footoni mõõtmistulemus hoolimata paariliste vahelisest kaugusest. Einstein võttis nähtuse kokku sõnadega „tontlik kaugmõju“ (inglise keeles „spooky action at a distance“) ja pidas seda liiga veidraks, et olla tõsi. Tänaseks päevaks vaadeldakse seda „veidrust“ kui kvantmaailma olulisimat omadust, seda toetavad ka paljud kvantpõimitust demonstreerivad Belli katsed, ja on asutud looma kvantpõimitusel põhinevaid rakendusi: kvantkrüptograafia, kvantarvutid, jne. Kõikide nende tulevikurakenduste eelduseks on efektiivne kvantpõimitud osakeste allikas. Põhiline meetod põimitud footonpaaride genereerimiseks on spontaanne parameetriline allamuundamine mittelineaarsetes kristallides. See seisneb valguse väikseima osakese, footoni, „poolitamisel“ kaheks madalama energiaga footoniks. Kahjuks on see meetod väga ebaefektiivne. Antud doktoritöö eesmärgiks on põimitud footonpaaride allika efektiivsuse tõstmine kasutades spetsiaalseid pinnalaineid, mis on seotud vabade elektrilangute võnkumisega metalli pinnal. Optiliste protsesside võimendamist pinnalainetega on uuritud palju ning efekti on korduvalt eksperimentaalselt demonstreeritud. Sellest hoolimata pole meile teadaolevalt uuritud pinnalainete kasutamist spontaanse parameetrilise allamuundamise võimendamiseks. Käesoleva doktoritöö raames töötati välja uued arvutusmeetodid, millega uuriti pinnalainete mõju spontaansele parameetrilisele allamuundamisele. Töö käigus võrreldi kolme eri tüüpi pinnalaineid ja kaardistati võimendustegurid, nõudmised objektile ning võimalikud protsessi takistavad tegurid. Töö eksperimentaalses osas disainiti ja ehitati goniomeetriline mõõtesüsteem spontaanse parameetrilise allamuundamise uurimiseks ning viidi läbi esialgsed mõõtmised. Doktoritöö käigus valminud arvutusmeetodeid saab ka edaspidi kasutada uut tüüpi objektide disainimeseks, modelleerimiseks ning optimeerimiseks. Töös esitatud arvutustulemused ja mõõtesüsteemi kirjeldus on oluliseks sisendiks edasisele eksperimentaalsele tööle.
Kvantpõimitust loetakse kvantmaailma üheks suurimaks „veidruseks“. Üheks näiteks on põimitud valguskvantide (footonite) paarid – ühe footoni mõõtmistulemusest sõltub hetkeliselt ka teise footoni mõõtmistulemus hoolimata paariliste vahelisest kaugusest. Einstein võttis nähtuse kokku sõnadega „tontlik kaugmõju“ (inglise keeles „spooky action at a distance“) ja pidas seda liiga veidraks, et olla tõsi. Tänaseks päevaks vaadeldakse seda „veidrust“ kui kvantmaailma olulisimat omadust, seda toetavad ka paljud kvantpõimitust demonstreerivad Belli katsed, ja on asutud looma kvantpõimitusel põhinevaid rakendusi: kvantkrüptograafia, kvantarvutid, jne. Kõikide nende tulevikurakenduste eelduseks on efektiivne kvantpõimitud osakeste allikas. Põhiline meetod põimitud footonpaaride genereerimiseks on spontaanne parameetriline allamuundamine mittelineaarsetes kristallides. See seisneb valguse väikseima osakese, footoni, „poolitamisel“ kaheks madalama energiaga footoniks. Kahjuks on see meetod väga ebaefektiivne. Antud doktoritöö eesmärgiks on põimitud footonpaaride allika efektiivsuse tõstmine kasutades spetsiaalseid pinnalaineid, mis on seotud vabade elektrilangute võnkumisega metalli pinnal. Optiliste protsesside võimendamist pinnalainetega on uuritud palju ning efekti on korduvalt eksperimentaalselt demonstreeritud. Sellest hoolimata pole meile teadaolevalt uuritud pinnalainete kasutamist spontaanse parameetrilise allamuundamise võimendamiseks. Käesoleva doktoritöö raames töötati välja uued arvutusmeetodid, millega uuriti pinnalainete mõju spontaansele parameetrilisele allamuundamisele. Töö käigus võrreldi kolme eri tüüpi pinnalaineid ja kaardistati võimendustegurid, nõudmised objektile ning võimalikud protsessi takistavad tegurid. Töö eksperimentaalses osas disainiti ja ehitati goniomeetriline mõõtesüsteem spontaanse parameetrilise allamuundamise uurimiseks ning viidi läbi esialgsed mõõtmised. Doktoritöö käigus valminud arvutusmeetodeid saab ka edaspidi kasutada uut tüüpi objektide disainimeseks, modelleerimiseks ning optimeerimiseks. Töös esitatud arvutustulemused ja mõõtesüsteemi kirjeldus on oluliseks sisendiks edasisele eksperimentaalsele tööle.
Tällä hetkellä kvanttilaskennan ala kehittyy nopeasti. Tutkijat vievät alaa eteenpäin, ja yritykset tarjoavat käyttäjille joko kvanttilaskentatehoa tai kvanttitietokoneita. Nämä ovat kuitenkin vielä varhaisia demonstraatioita, ja täysimittaisen kvanttitietokoneen kehittäminen jatkuu. Ratkaistavien haasteiden joukossa on kubittien kytkeminen eri fyysisiin järjestelmiin. Tässä väitöskirjassa esitetty työ edistää piipohjaisten kubittien luku- ja kytkentäsmenetelmien kehittämistä. Tämä väitöskirja keskittyy materiaalivioista tai valmistusvirheistä johtuvien vaikutusten ratkaisemiseen tai hallintaan. Yleisesti ottaen nämä virheet vaikuttavat kubitin tilan lukuun ja pahimmassa tapauksessa estävät sen kokonaan. Ensimmäisessä artikkelissa tutkitaan optoelektronisen luku- ja mittausmenetelmää donoreiden spinille. Järjestelmää viritettiin valolla ja donorijoukon spinien tila luettiin sähköisesti. Kokeissa havaittiin odottamattomia ilmiöitä, jotka voitaitiin selittää materiaalin venymän avulla. Venymä voi olla piikiteen sisäistä, mutta se voi myös olla seurausta piin pinnalle asetetuista metallielektrodeista. Koska metallin ja piin lämpölaajenemiskertoimet eivät ole yhtenevät, näytteen jäähdyttäminen aiheuttaa venymää metallin ja piin rajapinnassa. Venymän vaikutuksia eksitonitransitioon tutkittiin kokeellisesti ja simulaatioiden avulla. Saimme lähes täydellisen sovituksen kokeellisiin tuloksiin niin sanotulla Pikus-Bir-teorialla. Toisessa artikkelissa käsitellään optomekaanista laitetta, joka on suunniteltu kvanttitilan muuttamiseksi optiseksi signaaliksi. Sekä laitteen mekaaniset että optiset ominaisuudet eivät vastanneet odotuksia verrattuna aiempiin kokeisiin. Erityisesti optomekaaninen resonanssi, jossa optiset ja mekaaniset tilat ovat kytkeytyneet toisiinsa, vaihtelee optisen aallonpituuden funktiona. Lisäksi mekaaninen tila oli jakautunut, mikä aiheutti kaksi resonanssihuippua. Odottamattomat tulokset osoittautuivat johtuvan donori-implantointiprosessista, jossa korkean energian donori-ioneja ammutaan piihin. Tämän seurauksena piikide kärsii vaurioita, joka vaikuttavat optisiin ja mekaanisiin ominaisuuksiin. Kidevauriot voidaan korjata hehkuttamalla näyte implantoinnin jälkeen uunissa. Kidevaurioiden korjautuminen näkyi mittauksissa ja se voitiin selittää myös FEM-simulaatiolla. Kubitin tilan ulosluennan lisäksi kvanttimuuntimet ovat tärkeitä, kun otetaan huomioon käynnissä oleva kvanttivallankumous. Kvanttimuuntimet muuttavat kvantti-informaation koherentisti yhdestä fyysisestä järjestelmästä toiseen. Esimerkiksi spintila voitaisiin muuntaa optisiksi tai sähköisiksi signaaleiksi. Nämä signaalit voivat kulkea pitkiä matkoja ja kytkeä eri kvanttijärjestelmiä toisiinsa. Kolmannessa artikkelissa ja väitöskirjan neljännessä luvussa ehdotetaan kahta erilaista piipohjaista universaalia optomekaanista kvanttimuunninta. Niiden suorituskykyä arvioidaan simulaatioiden ja teoreettisten tarkastelujen avulla. Avainsanat: Eksitonit, optomekaniikka, kubitti, fotonikide, fononikide
Kvanttimekaniikan teoriassa suljettuja, ympäristöstään eristettyjä systeemejä koskevat tulokset ovat hyvin tunnettuja. Eräs tärkeä erityispiirre tällaisille systeemeille on, että niiden aikakehitys on unitaarista. Oletus siitä, että systeemi on suljettu, on osaltaan tietysti vain yksinkertaistus. Käytännössä kaikki kvanttimekaaniset systeemit vuorovaikuttavat ympäristönsä kanssa ja tästä johtuen niiden dynamiikka monimutkaistuu oleellisesti. Kuitenkin tietyissä tapauksissa systeemin aikakehitys voidaan ratkaista, ainakin approksimatiivisesti. Tärkeimpinä esimerkkeinä on ympäristön joko nopea tai erittäin hidas muutos kvanttisysteemin ominaiseen aikaskaalaan verrattuna. Näistä erityisesti jälkimmäinen on käyttökelpoinen oletus monissa fysikaalisissa tilanteissa. Tällöin voidaan suorittaa niin sanottu adiabaattinen approksimaatio. Sen mukaan systeemi, joka on aikakehityksen generoivan Hamiltonin operaattorin ominaistilassa, pysyy vastaavassa ominaistilassa ympäristön muuttuessa äärettömän hitaasti, mikäli systeemin eri energiatasot eivät leikkaa toisiaan. Todellisissa tilanteissa muutos ei tietenkään voi olla äärettömän hidasta ja myös energiatasojen leikkaukset ovat mahdollisia, jolloin tapahtuu transitio eri ominaistilojen välillä. Energiatasojen leikkauksilla on oleellisia vaikutuksia erittäin monissa fysikaalisissa prosesseissa ja niitä kuvaamaan on luotu monia malleja kvanttimekaniikan alkuajoista lähtien aina tähän päivään saakka. Nykyinen teknologinen kehitys on avannut uudenlaisen mahdollisuuden ilmiön kokeelliseen varmentamiseen ja hyödyntämiseen. Tämän vuoksi kyseisten mallien dynamiikan ja erityisesti energiatasojen useiden peräkkäisten leikkausten aiheuttamien koherenssi-ilmiöiden selvittäminen on tärkeää. Tässä työssä käsitellään kvanttimekaanisia kaksitasosysteemejä, joissa esiintyy energiatasojen leikkauksia sekä niiden pitkän aikavälin dynamiikkaa. Tutkielmassa perehdytään tarkemmin kahteen tiettyyn malliin. Näistä ensimmäinen, Landau-Zener -malli, on tunnetuin ja sovelluksissa käytetyin malli. Kuitenkin erityisen mielenkiinnon kohteena on niin kutsuttu parabolinen malli, jolle johdetaan eri approksimaatioita käyttäen asymptoottiset transitiotodennäköisyydet eri tilojen välille. Näitä verrataan numeerisiin tuloksiin.
Termodynamiikan yksinkertaisia ja yleispäteviä perusperiaatteita voidaan soveltaa luonnontutkimuksessa monilla eri alueilla. Albert Einstein totesi vuonna 1949, että termodynamiikka on kattavista fysikaalisista teorioista ainoa, jota ei varmasti tulla koskaan hylkäämään. Termodynamiikan toinen pääsääntö hallitsee kaikkia palautumattomia,irreversiibeleitä, prosesseja. Tieto siitä, että lämpö ja energia ylipäätään siirtyvät aina korkeammista arvoista kohti matalampia, koskee myös mikroskooppisten hiukkassysteemien kehitystä. Tilastolliseen mekaniikkaan perustuva termodynamiikka ei kuitenkaan perinteisessä muodossaan sisällä riittäviä välineitä mikroskooppisten järjestelmien kuvaamiseen. Se pitäytyy todellisuuskuvailussaan suljettuihin hiukkassysteemeihin, kun taas hiljattain muotoiltu avointen järjestelmien tilastollinen mekaniikka tarkastelee todellisuutta energiamaisemana, jonka tiheyserot pyrkivät virtausten myötä tasoittumaan. Tämä energian ja vaikutuksen käsitteisiin perustuva kokonaisvaltainen kuvaus tarjoaa tarkastelunarvoisen kehikon, jossa entropian kasvu voidaan sovittaa yhteen evoluution ja yhä mutkikkaampien rakenteiden syntymisen kanssa. Myös monet kvanttimekaniikan keskeiset tulkintaongelmat aina mittausongelmaa myöten saavat uutta valaistusta.
Viime vuosina on tutkittu paljon onttojen optisten kuitujen soveltumista neutraalien atomien liikkeen ohjaamiseen. Merkittävän ongelman monimuotokuitujen kohdalla muodostaa eri kenttämuotojen interferenssistä aiheutuva muotokohina, jonka seurauksena kuidun sisäpinnalle ilmestyy pimeitä alueita. Nämä tekevät atomien ohjaamiseen tarvittavasta optisesta potentiaalista spatiaalisesti erittäin epähomogeenisen. Jos lasersäteen sisääntulokulmaa kuitenkin moduloidaan riittävän nopeasti, kuidussa etenevät atomit näkevät aikakeskiarvoistetun efektiivisen potentiaalin, joka voi olla hyvinkin tasainen. Tässä diplomityössä esitetään edellä mainitun värähtelymenetelmän perusteellinen analyysi. Työn alussa ratkaistaan onton optisen monimuotokuidun etenevät kenttämuodot sekä niiden kenttäjakaumat kuidun ulostulopäässä, myös optisella lähialueella. Tämän jälkeen tutkitaan, miten syttyvien kenttämuotojen joukko riippuu tulevan lasersäteen sisääntulokulmasta, sen vyötärön leveydestä ja kohdistuksesta onton kuidun päätyyn. Saatuja tuloksia käytetään edelleen vaimenevan kentän muotokohinaltaan tasoitetun intensiteettiprofiilin konstruointiin. Osoittautuu, että alimman lineaarisesti polarisoituneen kenttämuodon sylinterisymmetrisen ulostulojakauman intensiteetti keskittyy voimakkaasti kuidun akselille optisessa lähikentässä. Täten se soveltuu kylmien atomien "työntämiseen" kuidun sisälle. Korkeampien kenttämuotojen ulostulojakaumat ovat pimeitä kuidun akselilla, ja niitä voidaan siten käyttää onttojen lasersäteiden tuottamiseen ja atomien siirtämiseen kuidun sisälle myös optisesta kaukokentästä. Gaussisen lasersäteen osuessa keskelle onton kuidun aukkoa, syttyvien kenttämuotojen joukko riippuu ainoastaan säteen sisääntulokulmasta, mutta ei juurikaan sen vyötärön koosta. Kun tuleva säde kohdistetaan kuidun ytimeen, tämä joukko määräytyy voimakkaasti kenttämuotojen radiaalisen osan perusteella, jos sisääntulokulma on kuidun ja säteen muodostaman systeemin symmetriatasossa. Sisääntulokulman olleessa tätä tasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa, kenttämuodot syttyvät puolestaan niiden kulmariippuvan osan määrääminä. Kun lasersäteen sisääntulokulmaa moduloidaan em. symmetriatasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa, vaimenevan kentän tasoitetussa jakaumassa saavutetaan matalin muotokohinan kontrasti. Symmetrisessä tapauksessa muotokohinan kontrasti ei koskaan saavuta tällaista paikallista minimiä, mutta intensiteetin keskiarvo voi tässä tapauksessa olla kuidun sisäpinnalla kaksikin kertaa niin suuri kuin symmetrian rikkovassa tapauksessa. Saadut tulokset osoittavat, että muotokohinaa voidaan tasoittaa huomattavasti enemmän, kuin mitä tähän mennessä ainoassa raportoidussa kokeellisessa työssä on esitetty.
Materiaalin viritystilat linkittyvät erottamattomasti paikallisen optisen ympäristön energiatilojen kanssa, kun materiaalin ja sen optisen ympäristön energiatilat ovat resonansissa ja kytkeytyminen niiden välillä on tarpeeksi vahvaa. Tällaisen vahvasti kytkeytyneen valon ja materian hybridin uudet energiatilat ovat hyvin erilaiset, kuin pelkän valon tai materiaalin energiatilat erikseen. Uusien energiatilojen erotusta kutsutaan Rabi jakautumiseksi. Spektroskopiassa absorptiospektrin Rabi jakautuminen on tunnusomainen piirre vahvalle kytkennälle. Tässä tutkielmassa havainnollistetaan, miksei väriaine-molekyylien ja optisten kaviteettien välisen vahvan kytkennän aiheuttamaa Rabi jakautumista pystytä selittämään spektrin jakautumisella, joka muodostuu väriaineen absorboidessa kaviteettimoodista. Optiset Fabry-Perot kaviteetit luotiin höyrystämällä peilinä toimivat hopeakerrokset valoresiiniohutkalvon alle ja päälle. Lasin päälle luodut kaviteetit ovat satojen nanonetrien paksuisia ja niillä on leveät resonanssit. Säätämällä ohutkalvon paksuutta kaviteettimoodin resonanssienergia saatiin vastaamaan väriaineen elektronista viritysenergiaa. Lisäämällä väriainetta peilen väliseen ohutkalvoon muodostetaan vahvasti kytkeytynyt järjestelmä, josta voidaan mitata huoneen lämpötilassa satojen millielektronivolttien Rabi jakautuminen. Samankaltainen spektrin jakautuminen voidaan luoda transmittanssispektriin asettamalla väriainetta sisältäviä ohutkalvoja tyhjän kaviteetin perään. Lisätyt ohutkalvot absorboivat vain kaviteetin läpäissyttä valoa muuttamatta heijastusspektriä. Optisia kaviteetteja simuloitiin käyttäen siirtomatriisimenetelmää. Kaviteettien rakenne optimoitiin siten, että kaviteetin λ/2-resonanssimoodin energia vastaa Rhodamiini 6G (R6G) väriainemolekyylin elektronista viritystä. Kaviteetin eri kerrosten paksuudet mitattiin atomivoimamikroskoopilla. Vahvasti kytkeytyneet ja uudelleenabsorboivat kaviteettijärjestelmät karakterisoitiin mittaamalla transmittanssi- ja heijastusspektrit. Järjestelmien absorptio laskettiin mitatuista spektreistä yhtälöllä A = 1 - T - R. Kaviteettien dispersiot selvitettiin tekemällä optiset mittaukset eri kulmilla. Ainoastaan vahvasti kytketyn järjestelmän absorptiospektreissä huomataan spektrin jakautuminen . Kasvattamalla R6G:n konsentraatiota kaviteetissa 140 millimoolista 275 millimooliin vakuumi Rabi jakautuminen kasvoi kiinteän kulman absorptiomittauksessa 150 millielektronivoltista 220 millielektronivolttiin. Tulokset vastaavat teoriaa, jonka mukaan vakuumi Rabi jakautuminen riippuu lineaarisesti molekyylien konsentraation neliöjuuresta.
Helium on ainoa alkuaine, joka normaalipaineessa säilyy nestemäisenä aina absoluuttiseen nollapisteeseen saakka. Matalissa lämpötiloissa sen molemmat isotoopit, 3He ja 4He, muuttuvat supranesteiksi, joiden tunnetuin ominaisuus on kitkaton virtaus. TKK:n kylmälaboratorion ROTA-ryhmä tutkii pyörivän 3He supranesteen ominaisuuksia. Normaalinesteissä turbulenssi havaitaan erikokoisina ja eri nopeudella liikkuvina pyörteinä. Supranesteissä turbulentti virtaus koostuu tyypillisesti vyyhdeistä identtisiä kvantittuneita pyörteitä, joita kutsutaan vortekseiksi. Tässä työssä esitellään turbulenttien vorteksikonfiguraatioiden mittaamista ja tuottamista 3He-B kvanttinesteessä. Värähtelevän haarukan muotoisen kvartsioskillaattorin aiheuttama turbulentti virtauskenttä aikaansaa termisten kvasipartikkelien Andreev-siroamista, mikä nähdään pienentyneenä vaimenemisena toisen värähtelijän vasteessa. 3He-näytteen pyörittäminen lisää oskillaattorin vaimenemista. Aikariippumattomassa pyörityksessä oskillaattorin resonanssin leveys on verrannollinen pyöritystaajuuteen. Tämä viittaa siihen, että resonanssinleveys mittaa supranesteen vorteksitiheyttä. Pyöritystaajuuden muutoksen jälkeen oskillaattorin vasteessa havaitaan transientteja, jotka johtuvat vorteksien annihiloitumisprosesseista (hidastus) ja turbulentin vorteksikonfiguraation relaksoitumisesta rektilineaariseksi vorteksihilaksi (kiihdytys).