ºÚÁÏÍø

Väitöskirjan nimi: Microwave optomechanics for milligram-scale gravitational force experiments

³Õä¾±³Ù³Ù±ð±ô¾±Âáä: Joseph Depellette 
³Õ²¹²õ³Ù²¹±¹Ã¤¾±³Ù³ÙäÂáä: apulaisprofessori Pierre-François Cohadon, École normale supérieure, Ranska  
Kustos: professori Mika Sillanpää, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu 

Painovoiman mittaaminen hyvin pienten esineitten välillä on yksi modernin fysiikan suurista haasteista. Tässä väitöskirjassa tutkitaan, miten herkkiä mekaanisia laitteita ja mikroaaltomittausmenetelmiä voidaan kehittää tulevia kokeita varten, joissa pyritään havaitsemaan milligramman kokoisten massojen aiheuttama painovoima. 

Työ perustuu kaviteettioptomekaniikkaan, jossa mikroaaltokaviteetti kytketään värähtelevään mekaaniseen elementtiin. Tässä väitöskirjassa mekaanisina osina käytetään piinitridikalvoja. Nämä kalvot soveltuvat erinomaisesti kiihtyvyyden mittaamiseen, ja lisäämällä niihin massaa niitä voidaan käyttää myös voimakkaamman ja mitattavissa olevan painovoimasignaalin tuottamiseen. Siksi ne ovat lupaavia työkaluja heikkojen voimien tutkimiseen sekä tulevaisuudessa mahdollisten painovoiman ja kvanttifysiikan välisten yhteyksien tarkasteluun. 

Tässä työssä on haaste, että raskaammat kalvot värähtelevät matalilla taajuuksilla. Näillä taajuuksilla laitteen jäähdyttäminen kryostaatissa ei riitä viemään sitä lähelle kvanttimekaanista perustilaa. Väitöskirjassa osoitetaan, että takaisinkytkentäjäähdytys tarjoaa tehokkaan vaihtoehdon. Kalvon liike mitattiin lähes kvanttirajoitteisella vahvistimella, ja mittaustulosta käytettiin korjaavan voiman kohdistamiseen. Tämä vähensi kalvon liikettä merkittävästi ja on tärkeä askel kohti massiivisten mekaanisten kappaleiden hallintaa kvanttitasolla. 

Väitöskirjassa esitetään myös menetelmä mikroaaltogeneraattorien amplitudikohinan vähentämiseen. Tällainen kohina voi lämmittää mekaanisia resonaattoreita ja rajoittaa mittausten herkkyyttä. Kohinan kumoamisen avulla jäähdytyskokeessa saavutettava alin lämpötila parani kaksinkertaisesti. Menetelmä on yksinkertainen, säädettävä ja mahdollisesti hyödyllinen monissa tarkoissa mikroaaltomittauksissa. 

Lopuksi työssä osoitetaan keskeisiä osia kokeelle, jonka tavoitteena on mitata 1 milligramman massan aiheuttama painovoima. Massalla kuormitettua kalvoa liikutettiin sähköisesti kryogeenisissä lämpötiloissa ja se yhdistettiin onnistuneesti mikroaaltokaviteettiin. 

Tulokset tarjoavat uusia menetelmiä massiivisten mekaanisten resonaattorien jäähdyttämiseen, hallintaan ja mittaamiseen. Ne tukevat sellaisten kokeiden kehittämistä, joilla voidaan tutkia äärimmäisen heikkoja painovoimia ja tuoda perustavanlaatuisen fysiikan kokeita lähemmäs toteutumista.

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä): .