Aalto-yliopiston tutkijat ovat tehneet ennätyksellisen tarkan ilmaisimen mikroaaltosäteilyn havaitsemiseksi.

Ilmaisin pystyy mittamaan äärimmäisen heikkoja fotonipulsseja, joissa on vain parisataa mikroaaltosäteilyn fotonia – niin sanottua valohiukkasta. Se on aaltolaisten mukaan neljätoista kertaa tarkempi kuin samalla periaatteella toimivat ilmaisimet maailmalla.

”Voisi verrata ihmisilmään. Ilmaisimen havaitseman mikroaaltopulssin energia on alle tuhannesosa sellaisesta näkyvän valon pulssista, jonka ihmisen silmä voi juuri ja juuri havaita”, jatko-opiskelija Joonas Govenius sanoo. Hän työskentelee kvanttitutkija Mikko Möttösen kvanttilaskennan ja -laitteiden tutkimusryhmässä Otaniemen kampuksella.

Mikroaallot kulkevat seinien läpi, ja niitä käytetään nykyään lähes kaikessa langattomassa viestinnässä, kuten matkapuhelimissa ja digitelevisioissa. Mikroaallot ovat sähkömagneettista säteilyä, jonka aallonpituus on paljon pidempi kuin esimerkiksi näkyvän valon.

Entistä herkemmät mikroaaltoilmaisimet voivat edistää esimerkiksi äärimmäisen herkkien kameroiden ja kvanttitietokoneiden rakentamista. Ilmaisimilla voitaisiin tutkia esimerkiksi avaruuden taustasäteilyä, joka on kosmologian keskeinen tutkimuskohde nykyisin.

”Suprajohtavilla laitteilla voidaan jo tuottaa yksittäisiä mikroaaltofotoneja. Vielä ei ole ilmaisimia, jotka havaitsisivat ihan yksittäisiä fotoneita. Luulen, että sellaisiakin vielä onnistutaan tekemään”, Govenius arvioi.

Uusi ilmaisin on pienempi kuin ihmisen punasolu. Mikroskooppisessa laitteessa on pienen pieniä suprajohtavia alumiinin palasia. Ne on kytketty kultaiseen nanolankaan, jonka läpimitta on vain metrin kymmenesmiljoonasosa.

Laite pitää jäähdyttää hyvin lähelle absoluuttista nollapistettä eli yli 273 pakkasasteeseen, jotta lämpöliikkeestä johtuvat häiriöt vähenisivät merkittävästi. Laitteen lämpötila on toiminnan aikana noin kymmenen millikelviniä eli asteen sadasosan absoluuttisen nollalämpötilan yläpuolella.

Se on oikeastaan kalorimetri eli se kertoo mikroaaltosäteilyn aiheuttaman lämpötilan muutoksen. Tutkijat havaitsivat ilmaisimella vain yhden zeptojoulen kokoisia energiapaketteja. Näin pienellä energialla voi nostaa punasolua vain yhden nanometrin eli metrin miljardisosan verran, Möttönen vertailee yliopiston tiedotteessa.

Euroopan tutkimusneuvosto (ERC) myönsi juuri Möttöselle apurahan mikroaaltoilmaisimen kehittämiseksi kohti kaupallisia sovelluksia.

Aaltolaiset esittelivät ilmaisintaan Physical Review Letters -tiedejulkaisussa.