Itä-Suomen yliopiston tuoreessa tutkimuksessa selvitetään fotonien eli valon alkeishiukkasten käyttäytymistä, kun ne kohtaavat rajapintoja, joissa materiaalien ominaisuudet muuttuvat nopeasti ajan myötä. Tutkimus paljastaa merkittäviä kvanttioptiikan ilmiöitä, jotka voivat avata tietä uudelle, kehittyvälle alueelle: neliulotteiselle kvanttioptiikalle.
Neliulotteinen optiikka on tutkimusala, joka keskittyy valon vuorovaikutukseen rakenteissa, jotka muuttuvat ajassa ja avaruudessa. Tutkimusalalla on paljon potentiaalia mikroaaltoteknologian ja optisten teknologioiden kehittämiseen, sillä se mahdollistaa muun muassa valon taajuuden muunnoksen, vahvistuksen, polarisaation hallinnan ja epäsymmetrisen sironnan.
Neliulotteisen optiikan alalla on viime vuosina tapahtunut merkittäviä edistysaskeleita. Esimerkiksi äskettäin Nature Photonics -lehdessä julkaistussa kansainvälisessä tutkimuksessa, johon myös Itä-Suomen yliopisto osallistui, osoitettiin, kuinka optisten ominaisuuksien, kuten resonanssien, hyödyntäminen voi olennaisesti vaikuttaa sähkömagneettisten kenttien vuorovaikutukseen ajassa vaihtelevien kaksiulotteisten rakenteiden kanssa. Tämä avaa uusia mahdollisuuksia valon hallinnan kehittämiseen.
Itä-Suomen yliopiston tutkijat ovat nyt laajentaneet aiempia klassisen optiikan tutkimuksiaan kvanttioptiikan suuntaan. Heidän kattava tutkimuksensa keskittyi fotonien vuorovaikutukseen materiaalin kanssa, jonka makroskooppinen ominaisuus muuttuu äkillisesti ajassa, mutta ei avaruudessa. Näin syntyy ajallinen rajapinta kahden eri väliaineen, kuten ilman ja veden välille.
– Neliulotteinen kvanttioptiikka on luonnollinen seuraava askel, joka mahdollistaa tähän saakka puhtaasti klassisten vaikutusten tutkimisen kvanttiteknologian kentällä. Tutkimuksemme tarjoaa nyt keskeisen työkalun, jolla voidaan tutkia fotoneita ajassa ja avaruudessa muuttuvissa monimutkaisissa rakenteissa, sekä paljastaa uusia kvanttioptisia ilmiöitä, tutkimusta johtanut Mohammad Mirmoosa Itä-Suomen yliopistosta kertoo.
Tutkimuksessa havaittiin useita merkittäviä ilmiöitä, kuten fotoniparien synty ja häviäminen, tyhjiötilan muodostuminen sekä valon kvanttitilan jäätyminen. Nämä ilmiöt voivat avata uusia mahdollisuuksia kvanttiteknologian kehitykselle ja sen sovelluksille.
Tutkijat toteavat, että tämä tutkimus on vasta alkuvaiheessa. Neliulotteinen kvanttioptiikka on nopeasti kehittyvä tutkimusala, jonka odotetaan herättävän merkittävää tieteellistä kiinnostusta lähitulevaisuudessa. Erityisen keskeinen tutkimuskohde on kvanttivalokenttien vuorovaikutus ajallisesti jaksollisesti toistuvien rajapintojen, niin sanottujen fotonisten aikakiteiden, kanssa.
– Tässä tutkimuksessa emme myöskään ottaneet huomioon dispersiota. Oikeassa elämässä materiaalit ovat kuitenkin luonteeltaan dispersiivisia, mikä tarkoittaa, että ne reagoivat viiveellä niihin kohdistuvaan valoon. Tällaisen materiaalin sisäisen ominaisuuden huomioon ottaminen edellyttää kattavamman teorian kehittämistä, Mirmoosa sanoo.
– Dispersion huomioiminen voi avata uusia mahdollisuuksia valon kvanttitilojen hallintaan, ja olen erittäin motivoitunut tutkimaan tätä, Mirmoosa lisää.
Tutkimus julkaistiin äskettäin Physical Review Research -lehdessä.
Lisätietoja:
Projektitutkija Mohammad Mirmoosa, Itä-Suomen yliopisto, mohammad.mirmoosa@uef.fi, p. 050 439 0156
Professori Tero Setälä, Itä-Suomen yliopisto, tero.setala@uef.fi, p. 050 367 9350
Apulaisprofessori Andreas Norrman, Itä-Suomen yliopisto, andreas.norrman@uef.fi, p. 050 599 4225
Artikkeli:
M. S. Mirmoosa, T. Setälä, and A. Norrman. Quantum state engineering and photon statistics at electromagnetic time interfaces. Phys. Rev. Res. 7, 013120 (2025). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.7.013120. Julkaistu avoimesti osoitteessa: https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.7.013120
