Kun kuuluu ääntä, ilmassa on värähtelyä. Esimerkiksi kuunneltaessa musiikkia radiosta kaiutin saa ilman värähtelemään. Värähtelyt leviävät ääniaaltoina ja osuvat lopuksi korvien tärykalvoihin soittona ja lauluna.
Kun säädetään äänenvoimakkuutta aina vain pienemmäksi, värähtelyt heikkenevät, kunnes musiikki ei ole enää kuultavissa. Värähtelyn muodostavat äänihiukkaset, joita kutsutaan fononeiksi, ovat kuitenkin yhä olemassa.
Kaiken sen, mitä normaalisti pidetään äänenä, olipa se sitten orkesterin pauhua tai lattialle putoavan nuppineulan kilahdus, tuottaa lukematon määrä fononeja.
Yhdessä fononissa on niin vähän energiaa, että tarvittaisiin suunnilleen kvadriljoona fononia, jotta sähkölamppu palaisi sekunnin. Luku on noin miljoonakertainen maapallolla olevien hiekanjyvien määrään verrattuna.
Kun kaikkein heikoimpiinkin ääniin sisältyy tällainen fononien paljous, on vaikea kuvitella, että yksittäisiä fononeja voitaisiin määrittää. Yhdysvaltalaisen Stanfordin yliopiston tutkijat ovat kuitenkin onnistuneet tehtävässä.
Normaalisti aineen atomit ovat järjestyneet hilaksi, mutta äänen värähtelyt aineessa heiluttavat ja siirtävät niitä.
Äänen pienimmät osaset saavat soinnin rätisemään
Äänen eteneminen tapahtuu värähtelyenergiana, joka voi liikkua aaltoina aineen atomien läpi. Atomit ovat normaalisti järjestyneet hilaksi, mutta aalto horjuttaa säännöllistä rakennetta niin, että atomit alkavat värähdellä aallon mukana.
Itse värähtelyenergia tulee pieninä erinä, joita kutsutaan fononeiksi. Ne ovat äänen pienimpiä osia. Tavallisesti aistittavat äänet ovat muodostuneet lukemattomista fononeista.
Yleensä fononeilla ilmaistaankin vain niin pieniä värähtely-energioita, ettei ihmiskorva pysty erottamaan niitä. Siinä tapauksessa, että kuultaisiin kaikkein vaimeimmat värähtelyt, ei kuitenkaan aistittaisi yhtenäistä ääntä.
Fononit tulevat yksi kerrallaan, eikä niihin voi liittyä fononin puolikkaita tai neljäsosia.Tästä syystä lopputulos olisi pikemminkin rätisevä kuin tasainen ääni.
He ovat kehittäneet mikrofonin, joka mittaa fononeja ja siten vastaanottaa maailman hiljaisimpia ääniä.
Läpimurtoa voidaan muun muassa käyttää tiedonsiirron nopeuttamiseen nykyisestä niiden supertietokoneiden välillä, joiden tekniikka perustuu valoaaltoja muodostaviin fotoneihin.
Fononien määrä selviää portaissa
Jo vuonna 1907 Albert Einstein otti kantaa värähtelyyn, kun hänen piti kuvata, kuinka kiinteä aine käyttäytyy.
Värähtelyä ei kuitenkaan osattu liittää ääneen ennen vuotta 1932, jolloin neuvostoliittolainen fyysikko Igor Tamm totesi värähtelyjen muodostavan äänen. Hän myös lanseerasi sanan fononi.
Pienuutensa vuoksi fononeja ei kyetä mittaamaan suoraan, mutta ne noudattavat kvanttimekaniikan periaatteita: värähtelyjen energia on rajoittunut niin sanottuihin kvanttitiloihin.
Tätä tietoa tutkijat ovat käyttäneet hyväksi kehittäessään fononeja vastaanottavan kvanttimikrofonin. Kvanttitilat muistuttavat portaita. Kun kuljetaan portaissa, voidaan seistä yhdellä askelmalla muttei kahden askelman välissä.
Tällä periaatteella fyysikot saavat fononit laskemaan askelmia, joita kvanttimekaniikassa nimitetään Fock-tiloiksi. Värähtely voi olla yhden ja kahden fononin tilassa, mutta se ei voi olla tilojen välissä.
Fock-tilojen energia on mitattavissa, ja se voidaan muuttaa suoraan fononien määräksi. Kun energia tunnetaan, pystytään siis selvittämään, paljonko fononeja on.
Minimaalinen mikrofoni sieppaa äänihiukkasia
Äänen pienimpien osasten, fononien, etsintää varten kehitetty mikrofoni pystyy sekä lähettämään että ottamaan vastaan värähtelyjä. Fononeja voidaan laskea määritettävän värähtelyenergian avulla.
Elektronit lähetetään kiertämään piirissä
Transmon-kubitiksi kutsuttu ohjausyksikkö lähettää elektroneja piiriin. Tämä on valmistettu suprajohtavasta aineesta sen estämiseksi, että elektronit häviävät matkalla.
Fononit eristetään ja vangitaan resonaattoriin
Kun elektronit läpäisevät niin sanotun resonaattorin, se saa aikaan fononeja. Nämä jäävät värähtelemään resonaattoriin, jota ympäröivä aine, fononinen kide, ohjaa värähtelyjen suuntaa. Näin varmistuu, että transmon-kubitti vastaanottaa fononit.
Syntynyt mitätön ääni mitataan
Fononien värähtelyt vaikuttavat sähkövaraukseen – energiaan – transmon-kubitissa.
Fononien lukumäärä määritetään
Transmon-kubitin energiasta voidaan määrittää, kuinka monta fononia resonaattorissa on syntynyt. Määrä kuvataan käyrinä, joiden heilahdukset ilmaisevat fononien energian.
Ei fononeja
Jos käyriä on vain yksi, fononeja ei ole.
Monta fononia
Jos käyriä on useita, fononeja on – ja ne voidaan laskea.
Minimaalinen rumpu pärisee
Fononien mittaamista vaikeuttavat pienet energiamäärät. Tavallisessa mikrofonissa ääniaallot työntävät kalvoa, joka sitten muuttaa työnnön mitattavaksi sähköjännitteeksi.
Fononeja ei kuitenkaan pystytä mittaamaan tällä tavalla, koska niiden vuorovaikutus kalvon kanssa häiritsee mittausta ja siten häivyttää niiden oman energian.
Siksi tutkijat eivät yrittäneet määrittää yksittäisiä fononeja, vaan he kehittivät keinon mitata ääniaaltojen kokonaisvärähtelyenergian.
Kun yhteinen energiamäärä selvitetään riittävän tarkasti, saadaan tietää, paljonko fononeja kaikkiaan on.
Ensimmäinen haaste on niiden minimaalisten äänien luominen, jotka yritetään mitata. Tätä tarkoitusta varten suunniteltiin niin pieni rummusto, että sen osia ei voida nähdä ilman elektronimikroskooppia.
Rumpalina toimii transmon-kubitiksi kutsuttu ohjausyksikkö. Kvanttitietokoneessa sen tilan määrää sähkövaraus. Kubitti huolehtii signaalien lähettämisestä eteenpäin rumpupalikkaan.
Se tapahtuu elektroneilla, jotka kiertävät virtapiirissä. Kun elektronit läpäisevät niin sanotun resonaattorin, joka vastaa rumpukalvoa, rumpu ”pärähtää” ja lähettää samalla fononeja.
Resonaattori ei kuitenkaan toimi niin kuin tavallinen rumpukalvo. Resonaattori pidättää fononeja niin, että kalvo jää värähtelemään.
Transmon-kubitti ottaa vastaan tämän värähtelyn. Mittaamalla transmon-kubitin tutkijat saavat selville tarkalleen, kuinka monta fononia on syntynyt.
Fononit lyövät valon laudalta
Yksi fononien mahdollisista käyttökohteista on tulevaisuuden supertietokone, joka perustuu kvanttimekaniikkaan. Nykyään tietokoneet laskevat biteillä, joilla on kaksi vaihtoehtoista tilaa: 1 ja 0.
Kvanttitietokoneen bitti on kubitti, joka noudattaa kvanttimekaniikan lakeja. Kubitti ei ole binaarinen, vaan se voi olla lukuisissa tiloissa yhden ja nollan välillä. Tämä avaa aivan uusia näköaloja laskemistapoihin.
Ennen laskutoimituksen suorittamista kvanttitietokoneella kubitti pitää koodata tiettyyn tilaan.
Tavallisessa tietokoneessa tätä vastaa bitin asettaminen ykköseksi tai nollaksi, mutta koska kubitti on monimutkaisempi ja se voi sisältää enemmän informaatiota, koodaus on vaikeampaa.
Uutta tietoa fononeista voidaan ehkä hyödyntää kehitettäessä uudenlaisia ultraäänihoitoja.
Nykyään kubitin koodaamiseen käytetään fotoneja, joita kutsutaan myös valohiukkasiksi, mutta fononit sopivat vielä paremmin tähän tarkoitukseen.
Esimerkiksi fononien aallonpituus on lyhyempi kuin fotonien – itse asiassa jopa monta sataa kertaa lyhyempi kuin laservalon. Sen ansiosta koodaus voitaisiin mahduttaa merkittävästi pienempään tilaan.
Tässä piilee se mahdollisuus, että nykyään väkisinkin suhteellisen suurista kvanttitietokoneista voitaisiin tehdä paljon kompaktimpia fononien avulla.
Myös lääketiede on kuulolla
Fononien mittaamista tuskin hyödynnetään vain tulevaisuuden kvanttitietokoneissa. Tutkijat pitävät mahdollisena, että pienellä rummustolla tehtävät kokeet johtavat myös lääketieteellisiin sovelluksiin.
Samalla periaatteella, jolla tuotetaan laservaloa säätämällä tarkasti fotonien aallonpituutta, voidaan asiantuntijoiden mukaan saada aikaan laserääntä.
Yhdessä fononissa on niin vähän energiaa, että tarvittaisiin suunnilleen kvadriljoona fononia, jotta sähkölamppu palaisi sekunnin.
Uudenlaisen laserin valmistamisessa on tähän asti kompastuttu siihen, että saman energiamäärän sisältäviä fononeja on äärimmäisen vaikea lähettää, koska energiaerot ovat mitättömiä.
Kvanttimikrofonin taustalla oleva tekniikka on kuitenkin harppaus eteenpäin.
Toteutuessaan fononilaser hakkaa nykylaserin samalla vahvuudella kuin kvanttitietokoneessakin: äänen lyhyemmällä aallonpituudella.
Lääketieteen alalla ero saattaa johtaa tarkempaan kaikukuvaukseen ja täsmäkirurgiaan. On jo visioitu, että fononien avulla pystytään esimerkiksi hävittämään kasvaimia vaikeapääsyisistä kehon osista.
Lyhyesti sanottuna: tulevaisuudessa musiikista voidaan löytää parantavia voimia.