KOHTI KORKEUKSIA MATALISSA LÄMPÖTILOISSA
OTANIEMI JA KVANTTITEKNOLOGIA
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
Kvanttiteknologia vaatii huippulaitteet ja sitkeää perustutkimusta, sanoo Jukka Pekola
Myös osaajien tiivis yhteistyö on tärkeää. Huippuyksikön voimin tutkitaan uusia kvantti-ilmiöitä ja -laitteita sekä kehitetään sovelluksia tutkimuksen ja teollisuuden käyttöön.
Kvanttiteknologia lupaa jättimäisiä mahdollisuuksia lääketeollisuudessa, materiaalisuunnittelussa, energia-alalla, herkissä mittauksissa ja tekoälyn hyödyntämisessä. Kvanttilaitteet eivät kuitenkaan voi syntyä ilman laajaa perustutkimusta.
Suomen Akatemian kvanttiteknologian huippuyksikköä (QTF) johtava professori Jukka Pekola sanoo, että merkittävä osa alan tutkimuksesta Aalto-yliopistossa liittyy suprajohtavuuteen. Suprajohteista valmistetut kubitit ovat esimerkiksi kvanttitietokoneiden toiminnan takana.
Toinen keskeinen alue on uusien kvanttimateriaalien tutkimus. Materiaaleja tutkitaan sekä teoriassa että kokeellisesti liittämällä toisiinsa yhden atomitason paksuisia kerroksia.
”Kvanttilaitteiden kehittäminen riippuu täysin siitä, miten hallitusti laboratorioissa saadaan aikaan kvanttijärjestelmiä, joita voidaan käyttää sovelluksissa”, Pekola sanoo.
Tärkeitä tutkimuskohteita ovat myös kvanttimekaniikan perusilmiöt, kvanttikommunikaatio ja uusimpana alueena tulevaisuuden kvanttilaskennassa tarvittavat algoritmit.
Pekola itse tutkii kvanttitermodynamiikkaa eli suprajohtavien nanorakenteiden lämmönsiirtoa.
Eräs kvanttifysiikan haaste on se, että mittaus voi tuottaa muutoksia mittauksen kohteeseen. QTF ryhmissä on jo kehitetty äärimmäisen herkkiä kvantti-ilmaisimia, joilla voidaan mitata kvanttijärjestelmän lämpöenergiaa vaikuttamatta mitattaviin kvanttitiloihin.
Osaajien keskittymä
Kylmälaboratorion SQUID-laitteet ovat hyvä esimerkki siitä, että myös kokeellisista hankkeista voi kasvaa kärsivällisellä kehittämisellä luotettavaa teknologiaa. Ensimmäiset testit heikkojen magneettikenttien mittaamiseen tarkoitetuilla SQUID-laitteilla tehtiin Teknillisessä korkeakoulussa jo puoli vuosisataa sitten.
”Nyt niiden valmistustekniikka on niin rutiininomaista, että niitä voidaan tehdä monenlaisiin käyttökohteisiin, joissa tarvitaan herkkiä antureita”, Pekola sanoo.
Pekola johtaa myös Aalto-yliopiston, Helsingin yliopiston ja VTT:n InstituteQ-nimistä kvanttiosaajien keskittymää.
Kvanttitutkimuksen käytännön kivijalkana toimii OtaNano-tutkimusinfrastruktuuri. Aalto-yliopiston ja VTT:n hallinnoimaan kokonaisuuteen kuuluu kylmälaboratorion lisäksi mikroelektroniikalle tarkoitetun Micronovan puhdastilat ja korkean erotuskyvyn mikroskooppeja tarjoava Nanomikroskopiakeskus.
”Infrastruktuurit ovat keskeisen tärkeitä meille”, Pekola sanoo.
Kokeellisen, teoreettisen ja soveltavan tutkimuksen yhdistelmä näkyy myös uusina yrityksinä. Bluefors, sekä äskettäin perustetut suomalaista kvanttitietokonetta kehittävä IQM, sekä Algorithmiq, ovat esimerkkejä kvanttialan yrityksistä, jotka juontavat juurensa huippuyksiköihin.
Pekola sanoo olevansa ylpeä kvanttiteknologian huippuyksikön pitkäjänteisestä tutkimustyöstä.
”Koko nykyinen kvanttiteknologian ekosysteemi on lähtenyt liikkeelle tästä perustutkimuksesta.”
Teksti: Panu Räty