Keski-Rahkonen, Joonas

Kaaoottisia ilmiöitä esiintyy kaikkialla ympärillämme. Tunnetusti klassisen systeemin pitkän ajan käytöksen ennustaminen on haasteellista tai mahdotonta kaaoksen takia. Tätä ennustavuutta voidaan kuitenkin parantaa hyödyntämällä kvanttikoherenssia. Esimerkki kvanttimekaaniikan kaaosta vaimentamasta vaikutuksesta on kvanttiarpeutuminen, jossa kvanttisysteemin ominaistilan todennäköisyystiheys on korostonut klassisen mekaaniikan mukaisen epästabiilin periodisen liikeradan ympäristössä.

Tämä väitöskirja käsittelee hiljattain löydettyä uudenlaista kvanttiarpeutumista paikallisesti häiriöidyssä nanomittakaavan rakenteissa. Intuition vastaisesti satunnaiset häiriöt saavat kvanttisysteemin paljastamaan klassisen fysiikan mukaiset säännölliset liikeradat. Kyseisessä ilmiössä klassisen mekaniikan mukaiset häiriöttömän systeemin jaksolliset liikeradat jättävät jäljen – kvanttiarven – vastaavan kvanttimekaanisen häirityn järjestelmän korkean kvanttiluvun ominaistiloihin. Mielenkiintoisesti tämän kaltainen kvanttiarpeutuminen on ennemmin pääsääntö kuin poikkeus paikallisesti häirityissä kvanttisysteemeissä. Tätä seikkaa tukee väitöskirjassa esitetyn arpimekanismin yleisluontoisuus. Kyseinen kvanttiarpeutuminen lisäksi edesauttaa valaisemaan, miten klassillisen mekaniikan mukainen kaaos ilmenee kvanttimekaniikkassa. Eri kvanttikaaosmittarit ovat osoittaneet, että arpeutuminen on kytkeytynyt kaaoottisuuden vaimenemiseen energiatilastatiikassa.

Modernin teknologian näkökulmasta tässä väitöskirjassa esitetyt tulokset auttavat ymmärtämään häirittyjen nanoskaalan kvanttirakenteiden käyttäytymistä. Erityisesti arpitutkimus on osoittanut, että kvanttiarpien olemassaoloa, muotoa sekä suuntaa voidaan kontrolloida kokeellisesti. Tulevaisuudessa kvanttiarpeutumista saatetaankin hyödyntää sähkönjohtavuuden kontrolloimiseen kvanttijärjestelmissä.