Att förstå hur ljus och materia beter sig – nyckeln till framtidens teknik

Så länge han kan minnas har han varit intresserad av elektronik och fysik. Med stöd av European Research Councils Consolidator Grant har han nu börjat föra samman dessa områden för att utveckla ultrakänsliga detektorer för högfrekventa elektroniska signaler – som bygger på kvantfysikens principer.

Mäta mikrovågor

Hans forskningsprojekt syftar till att utforma ultrakänsliga mikrovågsdetektorer som kan användas för att mäta små mikrovågsljussignaler som består av elementarpartiklar, så kallade fotoner. De kommer att vara 100 gånger känsligare  än de detektorer som finns idag. Mikrovågsmätningar är viktiga inom kvantteknik, astronomi, kommunikation och andra teknikområden som radar.

Ville Maisi förklarar att utmaningen med denna typ av forskning är att utnyttja mikrovågssignalernas förmåga att bete sig både som vågor och partiklar samtidigt. Precis på samma sätt som vanligt ljus uppvisar både våg- och partikelegenskaper. Han gör jämförelsen med kvantdatorer där vanliga datorer arbetar med tillstånd som kan vara antingen 0 eller 1, medan kvantdatorer arbetar med något som kallas qubits som kan vara 0 och 1 på samma gång. Denna dubbla funktion utgör grunden för att uppnå exponentiellt snabbare beräkningshastigheter.

Helig graal

Att kontrollera och utnyttja kraften från dessa samtidiga tillstånd – oavsett om det handlar om qubits eller mikrovågssignaler – är den heliga graalen inom dagens fysik och utgör några av de viktigaste frågorna för forskare.

– För att bygga vår detektor måste vi studera partikelstrukturer mellan ljus och material. Vi behöver förstå hur man utför mätningarna. Den ökade känsligheten gör det möjligt att upptäcka mindre signaler, och upptäckten av enskilda fotoner öppnar upp för helt nya typer av mätkonstruktioner.
 
En av de största utmaningarna i Ville Maisis forskning är att partikeltillstånd är mycket bräckliga, vilket innebär att detektorn skickar tillbaka feedback och därmed ändrar detektorns funktion. Kruxet är att konstruera en detektor som tar hänsyn till detta och integrerar feedbackeffekterna.
 
Ville Maisi låter sig dock inte avskräckas av dessa än så länge olösta utmaningar, utan det är vad som motiverar honom i hans dagliga arbete. Viljan att utveckla fysiken som forskningsområde har varit en av hans drivkrafter sedan han blev forskare.

– Om vi lyckas lösa hur och varför partiklar och ljus beter sig som de gör, och under vilka förhållanden, kan vi lägga grunden till vilken ny teknik som helst. Titta bara på transistorn. Idag används transistorer överallt, men för 70 år sedan studerades de bara i laboratoriet.

Unik strategi

Men tidsramen från det att Ville Maisis grundforskning integreras i verkliga tillämpningar kommer förmodligen att vara betydligt kortare än 70 år. Detta beror på att denna typ av mikrovågsdetektorer redan övervägs för användning inom avancerade teknikområden, till exempel för att undersöka små signaler från rymden.

 – Vi har en unik strategi för hur vi använder halvledarnanostrukturer i våra mikrovågsdetektorer. Lunds universitets strategiska forskningsområde NanoLund har drivit forskning om halvledarnanotrådar i ungefär två decennier hittills, vilket är mycket bra för vårt projekt.
 
Ville Maisi har både stora och små mål för projektet. Först och främst vill han experimentellt visa att det är möjligt att detektera och räkna mikrovågsfotonpartiklar. Detta arbete kommer att utföras av de nya doktorander och postdoktorer  som kommer att anställas för att arbeta i forskningsprojektet.
 
– Ett större mål är att utforma ett helt nytt mätsystem och få det i aktiv användning inom ett brett spektrum av tillämpningsområden där mikrovågsmätningar är viktiga. Längs vägen kommer vi också att utveckla ny förståelse för grundläggande fysik, säger Ville Maisi.