Teoreettinen fysiikka

Uudempi teoreettisen fysiikan englannikielinen sivu on osoitteessa http://www.oulu.fi/nanomo/node/45966.

Teoreettisen fysiikan esittelyposteri

Teoreettisen fysiikan esittelykalvot

Teoreettisessa fysiikassa pyritään ymmärtämään fysikaalisia ilmiöitä. Tarkkaan ymmärtämiseen päästään ainoastaan matemaattisia malleja käyttämällä. Kokeellisesti havaitut ilmiöt pyritään selittämään lähtien mahdollisimman pienestä määrästä perusoletuksia. Mallien avulla lasketaan fysikaalisten järjestelmien käyttäytymistä erilaisissa olosuhteissa ja pyritään ennustamaan uusia ilmiöitä.

Kuva esittää maailmankaikkeudessa esiintyviä mittakaavoja. Asteikolla jokainen väliviiva vastaa pituutta, joka on aina kymmenen kertaa suurempi kuin sen alapuolella oleva. Oikealla on suurennettuna väli atomin koosta ihmisen mittakaavaan.

Atomeja ja sen rakenneosia kuvaavat kvanttimekaniikan lait. Ihmisen mittakaavassa nämä ilmiöt keskiarvioistuvat ja keskiarvot noudattavat klassisen fysiikan lakeja. Näiden mittakaavojen välissä on ns. mesoskooppinen alue, missä käyttäytyminen on osin klassista mutta toisilta osin kvanttimekaanista.

Teoreettisen fysiikan tutkimus Oulussa painottuu mittakaavoihin atomitasolta mesoskooppiseen fysiikkaan. Tällä alueella esiintyy lukemattomia kiinnostavia ilmiöitä, joista tässä muutamia esimerkkejä.

Suprajohtavuus

Lämpötiloissa lähellä absoluuttista nollapistettä useat metallit menevät suprajohtavaan tilaan. Tutkimuskohteena ovat kvanttimekaaniset ilmiöt suprajohteiden välisissä liitoksissa. Tällaisilla liitoksilla voidaan toteuttaa piiri, jota voidaan käyttää mahdollisen kvanttitietokoneen osana.

On tavallista että metallien sähkövastus pienenee kun lämpötila alenee. Suprajohteissa sähkövastus kuitenkin häviää äkillisesti kriittisen lämpötilan Tc alapuolella (kuva). Suprajohteiden välisissä liitoksissa virran riippuvuus jännitteestä poikkeaa Ohmin laista I=V/R (oikea kuva). Huomaa että sähkövirta I (pienempi kuin Ic) on mahdollinen myös ilman jännitettä V=0.

Kvanttinesteet

Teoreettisen fysiikan keskeinen ongelma on ratkaista monen vahvasti vuorovaikuttavan kappaleen käyttäytyminen. Yhden malliesimerkin tästä muodostaa nestemäinen helium matalissa lämpötiloissa, missä atomien käyttäytyminen on ratkaistava kvanttimekaniikkaa käyttäen. Oheisessa kuvassa on laskettu ohuen heliumkalvon tiheyttä kiinteällä pinnalla.

Helium supraneste leviää magnesiumin pinnalle yhden atomin paksuiseksi kerrokseksi. Jos leviäminen rajoitetaan, niin muodostuu toinen atomaarinen kerros jne. Kuvassa esitetään monen kappaleen teorian antama tulos kalvon tiheysprofiilista pintatiheyden ja magnesiumalustasta mitatun etäisyyden funktiona. Kuvan paksuimmissa kalvoissa havaitaan jo kolmannen kerroksen alkavan muodostua.

Matalissa lämpötiloissa heliumneste on suprajuoksevassa tilassa. Ominaista tälle on mm. se, että pyörivässä astiassa neste ei pyöri tasaisesti vaan pyöriminen on keskittynyt ns. pyörreviivoille. Oheisessa kuvassa pyörreviivat on merkitty keltaisilla viivoilla, ja nesteen pyöriminen tapahtuu niiden ympäri. Samalla pyörreviivat liikkuvat astian pyörimisen mukana.

Kvanttipisteet

Kahden puolijohteen välinen liitos voi muodostaa loukun, jossa elektronit pääsevät liikkumaan ainoastaan liitospinnalla. Kvanttipisteessä elektrodeilla estetään myös pinnan suuntainen liike ja saadaan elektronit käyttäytymään kuten atomeissa. Koska näiden keinotekoisten atomien ominaisuuksia voidaan kontrolloida, niillä, samoin kuin muillakin nanorakenteilla, on tärkeä osa tulevaisuuden elektroniikassa.

Elektronitiheys kaksoiskvanttipisteessä. Tiheys on suurimmillaan (valkoinen väri) pisteen muodostavien kaivojen syvänteiden kohdalla ja pienee (sininen väri) siirryttäessä edemmäs. Kaivojen rakenteeseen voit tutustua täällä.

Superhilat

Kerrostamalla vuoron perään kahta erilaista materiaalia säännöllisesti toistuvaksi rakenteeksi saadaan aikaan superhila. Superhilassa olevat elektronit eivät kiihdy rajattomasti sähkökentän vaikutuksesta, vaan kvanttimekaniikan mukaan jäävät värähtelemään edestakaisin. Tätä Bloch-värähtelyä käyttäen pyritään luomaan laite, jolla voidaan tuottaa suurtaajuista THz-alueen radiosäteilyä, jota muilla keinoin ei helposti ole saatavilla.

Kuvassa aaltofunktio, joka kuvaa elektronin sijoittumista superhilan eri potentiaalin minimeihin n. Voimakas vakio sähkökenttä pyrkii kiihdyttämään elektronia oikealle (mikä näkyy aaltofunktion tiheinä värähtelyinä oikealla). Kvanttimekaanisen interferenssin takia elektroni ei kuitenkaan pääse etenemään, vaan jää värähtelemään edestakaisin. Yksi tapa ymmärtää tämä on että elektroni voi liikkua vain energiakaistassa (varjostettu alue) joka voimakkaan sähkökentän takia on vinossa. Elektroni jää värähtelemään noin kaistan vaakasuoran osuuden levyiselle alueelle (aaltofunktio on oleellisesti nollasta poikkeava tämän levyisessä alueessa).

Tutkimusprojekteja

Alla on kuvailtu yksityiskohtaisemmin muutamia tutkimuskohteita. Uudempi versio näistä on osoitteessa http://www.oulu.fi/nanomo/node/46059.

 

Esitelmiä

Teoreettisen fysiikan seminaarit ilmoitetaan täällä muiden fysiikan seminaarien kanssa.

Opetus

Teoreettisen fysiikan tutkimus liittyy läheisesti sen opetukseen.

Viimeksi päivitetty: 13.10.2017