1970: Maailman ensimmäinen superpakastin valmistuu Otaniemessä
Kylmälaboratorio tuli tunnetuksi suprajuoksevuuden tutkimuksesta ja kylmyysennätyksistä.
Keväällä 1970 Otaniemessä tehtiin tieteen historiaa: Teknillisen korkeakoulun uudessa kylmälaboratoriossa valmistui ensimmäinen äärimmäisen matalien lämpötilojen tutkimukseen tarkoitettu kryostaatti.
Jousitetun, kuusi tonnia painavan betonialustan päälle sijoitetun superpakastimen rakentamista johti kylmälaboratorion perustaja, professori Olli Lounasmaa (1930–2002).
Uusi kryostaatti pystyi jäähdyttämään koekappaleet alle yhden millikelvinin lämpötiloihin – ensimmäistä kertaa maailman historiassa.
”Siihen aikaan ei jäähdytyslaitteita ei saanut valmiina, vaan ne piti itse rakentaa. Lounasmaa ja kumppanit olivat siinä taitavia”, sanoo Aalto-yliopiston professori Pertti Hakonen.
Monet fysiikan kiehtovimmista ilmiöistä ilmenevät vasta lämpötilan lähestyessä absoluuttista nollapistettä: 0 kelviniä eli –273,15 celsiusastetta.
Esimerkiksi metallit muuttuvat äärimmäisen kylmässä lämpötilassa suprajohtaviksi, jolloin sähkövirta etenee niissä ilman häviöitä. Helium-3 ja helium-4-kaasut muuttuvat alhaisissa lämpötiloissa suprajuokseviksi nesteiksi, jolloin niissä ei enää havaita viskositeettia eli sisäistä kitkaa. Siksi supranesteet voivat olla jatkuvassa liikkeessä ja karata esimerkiksi astian reunojen yli.
Suprajohtavuus ja suprajuoksevuus ovat tärkeitä ilmiöitä fysiikan perusteorioissa. Esimerkiksi Helium-3-supranesteen ilmiöillä löytyy yhtymäkohtia niin turbulenssiin kuin kosmologiaan.
Kansainväliseen maineeseen kylmälaboratorio nousi todentamalla juuri helium-3:n suprajuoksevuuden vuonna 1973. Varhaisiin tieteellisiin onnistumisiin lukeutui myös kvanttifysikaalisten virtauspyörteiden havaitseminen pyörivässä helium-3-supranesteessä 1981.
”Virtauspyörteiden löytyminen ei ollut yllätys, mutta niiden eri varianttien määrä oli yllätys”, tutkimuksen mittauksia tehnyt Hakonen sanoo.
Maailmankuuluksi kylmälaboratorio tuli tutkimuksen sivutuotteina syntyneistä kylmyyden maailmanennätyksistä. Myös nykyinen kiinteiden aineiden kylmyysennätys (0,1 nanokelviniä) tehtiin vuonna 1999 Otaniemessä.
Korkealaatuista tutkimusta ja kisällimäistä koulutusta
Tehokkaiden jäähdytyslaitteiden lisäksi tutkimus on tuottanut muutakin tekniikkaa, kuten heikkojen magneettikenttien mittaamiseen tarkoitettuja SQUID-laitteita. Niitä käytetään esimerkiksi aivojen sähköisten signaalien kuvantamisessa ja kvanttitietokoneen kubittien perustana.
Kylmälaboratoriosta sai alkunsa myös Helsingissä toimiva Bluefors-yritys, joka valmistaa mittatilaustyönä jäähdytyslaitteita tutkimukseen ja kvanttitietokoneisiin ympäri maailman.
Nykyisin kylmälaboratorio tunnetaan kansainvälisesti tärkeänä suprajohtavan kvanttiteknologian ja nanoelektroniikan tutkimusyksikkönä.
Hakosen oma tutkimusryhmä tutkii parhaillaan muun muassa fotoniparien kvanttilomittumiseen perustuvaa LED-valonlähdettä. Tulevaisuudessa tutkimus voisi mahdollistaa vuorovaikutuksen toisistaan etäälle sijoitettujen kvanttitietokoneiden välillä.
Hakonen sanoo, että kylmälaboratorion tärkeimmät tehtävät ovat edelleen samat kuin kylmälaboratorion varhaisimpina aikoina.
”Ennen kaikkea korkeatasoinen tutkimus ja jatko-opiskelijoiden kisällimäinen koulutus”, Hakonen sanoo.
Teksti: Panu Räty
