Vorteksirakenteet heikosti vuorovaikuttavissa bosekondensaateissa

Möttönen, Mikko

Satyendra Nath Bose ja Albert Einstein ennustivat Bose-Einstein -kondensaation vuorovaikuttamattomille bosonisille hiukkasille vuonna 1924. Alalla koettiin läpimurto vuonna 1995, jolloin saatiin aikaan ensimmäiset kokeelliset realisaatiot Bose-Einstein -kondensaateista harvoissa alkalimetalliatomeista koostuvissa kaasuissa. Löydöstä myönnettiin fysiikan Nobel palkinto vuonna 2001. Tässä diplomityössä tutkitaan numeerisesti äärellisen lämpötilan vortek-sidynamiikkaa radiaalisesti loukutetussa, heikosti vuorovaikuttavassa kondensaatissa. Numeeriset menetelmät, joilla integroidaan termiseen kaasuun kytköksissä olevaa Gross-Pitaevskii -yhtälöä, on esitelty seikkaperäisesti. Vorteksin prekession kulmataajuus ja säde laskettiin äärellisessä lämpötilassa ja verrattiin nollalämpötilalaskuihin, joissa käytettiin samaa kondensoituneiden atomien lukumäärää. Termisen kaasun vaikutukset vorteksin dynamiikkaan olivat havaittavissa, mutta ne eivät kääntäneet prekession suuntaa, eli tämän työn pohjalta ei voida vielä väittää, että vorteksi stabiloituisi termisen kaasun vaikutuksesta. Voi kuitenkin olla mahdollista, että ottamalla huomioon energiaspektrin diskreettisyyden ja hiukkasvaihdot kondensoituneen ja kondensoitumattoman kaasun välillä vorteksi itseasiassa stabiloituu, mutta tämän tutkiminen jää tulevaisuuteen.

Paavo Pylkkänen

Pietilä, Ville

Bose-Einstein -kondensaatio onnistuttiin toteuttamaan kokeellisesti ensimmäisen kerran vuonna 1995, jonka jälkeen näitä tarkasti kontrolloitavia kvanttisysteemeitä on tutkittu runsaasti sekä kokeellisesti, että teoreettisesti. Bose-Einstein -kondensaatit tarjoavat mahdollisuuden mallintaa tarkasti vuorovaikuttavaa monihiukkassysteemiä lähtien perusperiaatteista. Bose-Einstein -kondensaation vaihekoherenssi ilmenee makroskooppisissa pituusskaaloissa esimerkiksi topologisina defekteinä, joita ovat muun muassa kvantittuneet vorteksit. Alkalimetalliatomien muodostamat kondensaatit voivat olla joko spinpolarisoituneita tai koostua useista eri spintiloista. Tässä diplomityössä tutkitaan stationaarisia vorteksiklustereita sekä skalaari-, että spinorikondensaateissa. Hyvin matalissa lämpötiloissa termisen kaasun osuus voidaan jättää huomiotta ja kondensaattia voidaan kuvata järjestysparametrilla, joka määräytyy Gross-Pitaevskii -yhtälöstä. Lisäksi työssä tutkitaan topologisia kysymyksiä liittyen systeemin globaaleihin symmetrioihin. Stationaaristen vorteksiklustereiden vakautta pannukakunmuotoisissa kondensaateissa on tutkittu aikaisemmin osin ristiriitaisin tuloksin. Tssä työssä tehdyissä numeerisissa laskuissa havaittiin, että ristiriitaisuuden aiheutti klustereiden dynaamisen vakauden riippuvuus kondensaatin atomien välisen vuorovaikutuksen voimakkuudesta sekä kaasun vangitsevaa loukun epäsymmetrisyydestä. Stationaariset klusterit havaittiin energeettisesti epävakaiksi, mutta klusterit joilla kokonaiskulmaliikemäärä on nolla, tulevat dynaamisesti vakaiksi epäsymmetrisissä loukuissa riittävän vahvasti vuorovaikuttavissa kondensaateissa. Pannukakunmuotoisissa spinorikondensaateissa löydettiin vastaavia stationaarisia vorteksiklustereita, jotka koostuvat ytimettömistä vortekseista.

Vartiainen, Juha

Kohvakka, Kassius

Sensitive and reliable photon detectors are ubiquitous tools in countless fields of engineering and the sciences. One of the most mature and widely applied approaches to photodetection is bolometry, where the absorption of radiation causes a measurable change in the temperature of the absorber material. Applications of bolometry include fields such as astrophysics, medicine, particle physics, and metrology, all of which greatly benefit from the development of more versatile and efficient detectors. In the field of superconducting quantum circuits, considerable progress has recently been made in developing ultrasensitive superconducting bolometers. Operating in the single-photon regime, these devices hold great potential for several applications within quantum technology, including qubit state measurement and characterization of microwave components and cryogenic environments. State-of-the-art bolometers based on graphene have been shown to reach sufficient energy resolution and operation speed to be applicable in the context of circuit quantum electrodynamics. In this thesis, a superconducting bolometer based on superconductor-normal-metal-superconductor Josephson junctions is studied. In particular, a detection protocol based on optimal filtering of the noisy detector output signal is implemented to detect microwave pulses during continuous operation of the device. The fidelity of the implemented real-time detection scheme is experimentally tested and compared to the theoretical energy resolution of the studied bolometer, computed from noise equivalent power. The device is found to reach 50% detection probability with minimal dark-count rate at pulse energies of approximately 2.2 zJ, exceeding the predicted resolution of 0.75 zJ by only a factor of three. In addition, the characteristic energy of the detector is determined to be approximately 1.5 zJ based on the total energy of pulses detected with fidelity F=0.5. The results give hope of future applications of the detection scheme to more sensitive bolometer samples.

B. G. Konopelchenko