ANDI HEKTOR
Füüsikud on juba 70 aastat teadnud, et looduslikust kosmilisest kiirgusest pärinevad osakesed, mida nimetatakse müüoniteks, võimaldavad sõna otseses mõttes näha läbi seinte. See võime aitaks meil tõhusamalt renoveerida ehitisi, ära hoida hoonete ja sildade ootamatuid varinguid, hooldada tuuma- ja keemiatööstuse seadmeid. Ühtlasi saaks seda kasutada turvalisuse ja meditsiini tarbeks.
Et see unistus igapäevaelus tõeks teha, on vaja väga täpseid ja tundlikke osakestedetektoreid ning keerukaid, sageli tehisintellektil põhinevaid algoritme. Ainult siis suudame väga mürarohketest andmetest koostada kolmemõõtmelise ruumilise pildi. Selle võimalikkust on näidanud teaduslikud eksperimendid ja Eesti juurtega ettevõttes GScan välja töötatud tehnoloogia. Näiteks on selle tehnoloogiaga ehk müüontomograafiga läbi valgustatud Paldiskis asuvate vanade tuumareaktorite sisemus, et neid ohutumalt ja odavamalt lammutada.
Järgmise põlvkonna tundlike detektorite ja kiirete algoritmide puhul võib meil juba lähitulevikus väga palju kasu olla kvantefektidest. Enne kui hüppame pea ees kvantmaailma, võtame kokku selle, kuidas müüonid aitavad meil seintest läbi näha ehk kuidas toimib müüontomograafia.
Elektroni raskem kaksik
Alustame sellest, kust looduslikud müüonid pärinevad. Müüonkiirgus tekib atmosfääris umbes 25–30 km kõrgusel maapinnast, kui kosmilised kõrge energiaga osakesed (enamasti prootonid ja heeliumi aatomituumad) pommitavad Maa atmosfääri. Sellise osakese kokkupõrkel atmosfäärigaaside aatomituumas oleva prootoni või neutroniga tekib väga palju piioneid. Nende osakeste eluiga on ülilühike, enamik neist laguneb kiiresti müüoniks.
Ka müüon ise on ebastabiilne osake, püsib kõigest kaks mikrosekundit. Kuna tekkivad müüonid on väga suure energiaga, liiguvad need peaaegu valguse kiirusega. Piisab paarist mikrosekundist, et nad jõuaksid maapinnani ning isegi peaaegu kilomeetrini maapõues ja meresügavikes.
Müüon on väga põnev osake. Ta on ligi 200 korda raskem kui elektron, aga väga sarnane sellega, mõnikord öeldakse tema kohta „elektroni raskekaaluline vend“. Aga just sellest tuleneb tema kaks väga head omadust. Esiteks, suure massi tõttu suudab müüon läbida sadu meetreid materjale ilma seal neeldumata. Teiseks, tänu oma laengule (nagu ka elektroni) on teda üsna lihtne mõõta. Selleks saab kasutada näiteks nn stsintillaatori tüüpi detektoreid, kus läbilendav laetud osake tekitab spetsiifilise valgussähvatuse, mida mõõdetakse näiteks tundliku pooljuhtelemendiga. Aga võib kasutada ka pooljuhtidel või hoopis gaaslahendusel põhinevaid detektoreid.
Näitab ka keemilist koostist
Kui müüonid mingist materjalist läbi lähevad, siis väike osa neist siiski neeldub, aga enamik „hajub“. Hajumine on nähtus, kus osake muudab veidi suunda võrreldes algse liikumissuunaga. Kombineerides hajumisest ja neeldumisest saadud andmeid, on võimalik luua kolmemõõtmeline pilt objektist, mida müüonid on läbinud. See võib kõlada veidi ulmeliselt, aga tegelikult sarnaneb sellega, kuidas moodsad röntgentomograafid ehk kompuutertomograafid teevad meie sisemusest arsti juures käies ilusa kolmemõõtmelise pildi.
Müüontomograafial on veel üks suur eelis röntgenipildi ees: müüonpildil on peale aine tiheduse näha aine atomaarne (lihtsustatult, keemiline) koostis. Just seetõttu on müüontomograafiaga väga sobilik avastada näiteks roostet või mis tahes keemilisi muutusi. Tundub olevat pisiasi, aga ainuüksi rooste tekitab inimkonnale igal aastal ligi triljoni euro eest kahju. Kui see õigel ajal avastada, saaks kokku hoida palju raha ja säästa inimelusid, vältides rajatiste kahjustusi ja tööstusõnnetusi.
Kvantsensorid
Oleme nüüd läbi vaadanud müüontomograafia põhialused. Kust tulevad aga mängu kvantefektid, mida lubasime pealkirjas? Kui kõik ausalt ära rääkida, siis ka senised müüonisensorid, näiteks mainitud stsintillaatorid, põhinevad kvantefektidel. Ent praeguses kirjutises tahame rääkida nn kvantsensoritest ehk sensoritest, kus rakendatakse kvantfüüsika efekte üsna kontsentreeritud kujul. Need süsteemid kasutavad selliseid kvantefekte nagu kvantpõimitus, -interferents ja teised väga isoleeritud kvantnähtused.
Miks tasub niisuguseid kvantseisundeid kasutada sensorites? Sest need on ülitundlikud, iga väikseimgi väline segamine rikub kvantoleku! Teoreetiliselt võiksid need sensorid olla väga väikesed, ülitundlikud ja ülitäpsed. On ainult üks „väike“ probleem: füüsikud alles õpivad, kuidas ja mis tehnoloogiaga luua keerukusteta kvantsensoreid. Praegused kvantsensorid nõuavad materjalide jahutamist väga madalate temperatuurideni ja kõrgvaakumit. Selliseid tingimusi on kallis ja keeruline luua, ühtlasi ei suudeta luua väga väikseid sensoreid. See on peapõhjus, miks kohtame kvantsensoreid igapäevaelus väga harva.
Kvantpunktid
Astudes sammukese tagasi, võib öelda, et lihtsamaid kvantnähtusi võimendavad sensorelemendid on juba leidnud tee argirakendustesse. Üks säärane on nn kvantpunkt. See on pooljuhtivast materjalist nanoterake, mis on nii väike, et selles hakkavad peale materjali omaduste rolli mängima osakese suurusest tulenevad kvantnähtused. Kuna keemikud ja füüsikud oskavad nanoosakeste suurust vajadust mööda muuta, saab toota väga spetsiifiliste ja huvitavate omadustega kvantpunkte.
Üks kvantpunktide tulevikurakendus on väga efektiivsed stsintillaatorid, millega mõõdetakse laetud osakeste, näiteks müüonite hulka. Ka Eesti ettevõttes GScan välja töötatud müüondetektorites kasutatakse spetsiaalseid stsintillantsest läbipaistvast plastist valgustjuhtivaid kiude, et täpselt mõõta detektorist läbi lendava müüoni trajektoor. Tulevikus võiks kvantpunktidel põhinevad materjalid muuta selle lahenduse tunduvalt täpsemaks, kompaktsemaks ja ka odavamaks.
Eespool rääkisime sellest, kuidas kvantnähtused aitaksid luua paremaid sensoreid ja detektoreid. Aga kvantmaailm võib ühtasi aidata mõõdetud andmetest koostada kolmemõõtmelist pilti. Siin saaksid meile appi tulla kvantarvutid. Selle põneva loo jätame mõneks järgmiseks korraks.
Andi Hektor (1975) on füüsik, ettevõtte GScan kaasasutaja ja strateegiajuht.