Uutiset

Atomitason näkymä suprajohtavuuteen viitoittaa tietä uusille kvanttimateriaaleille

Aalto-yliopiston ja Yhdysvalloissa sijaitsevan Oak Ridge National Laboratoryn tutkijat ovat kehittäneet uuden menetelmän, jolla voidaan ensimmäistä kertaa mitata kvanttihiukkausten tiloja suprajohtimissa yksittäisten atomien tasolla. Näiden tilojen mittaaminen on tärkeä askel kohti epätavallisten suprajohtimien parempaa ymmärtämistä. Löytö voi helpottaa kvanttitietokoneiden kehittämistyötä ja kenties jopa mahdollistaa huoneenlämmössä toimivan suprajohtimen.
Professor Jose Lado, facing the camera, sitting on wooden steps.
Professori Jose Lado. Valokuva: Aalto-yliopisto/Evelin Kask.

Suprajohtimet ovat materiaaleja, joilla ei ole mitään sähkövastusta. Ne ovat keskeisiä materiaaleja esimerkiksi kvanttitietokoneissa ja lääketieteessä, mutta niiden käyttö on haastavaa. Suprajohtimet vaativat yleensä äärimmäisiä olosuhteita, esimerkiksi erittäin kylmän lämpötilan. Ilmiön aiheuttavat ns. Cooperin parit, eli tietyllä tavalla pariutuvat elektronit. Tähän asti Cooperin pareja on mitattu vain epäsuorasti, mutta Aallon ja Oak Ridge National Laboratoryn tutkijat ovat nyt havainneet niitä yksittäisten atomien tasolla.

Oak Ridgen tutkijat Wonhee Ko ja Petro Maksymovych käyttivät perustanaan Aallon fysiikan professori Jose Ladon teoriaa. Kvanttimekaniikassa elektronit voivat ”tunneloitua” järjestelmästä toiseen tavalla, jota klassisen fysiikan mallit eivät pysty selittämään. Jos esimerkiksi elektroni muodostaa parin toisen elektronin kanssa juuri siinä kohdassa, jossa suprajohdin ja jokin metalli kohtaavat, ne voivat muodostaa Cooperin parin, joka siirtyy suprajohtimeen ja samalla kimmottaa toisenlaisen hiukkasen takaisin metalliin. Tätä prosessia kutsutaan Andrejevin heijastukseksi. Tutkijat etsivät näitä heijastuksia löytääkseen Cooperin pareja niiden kautta. Cooperin parien kokeellinen havaitseminen atomitasolla antaa tutkijoiden nähdä miten parien aaltofunktiot uudelleenrakentuvat atomitasolla ja miten ne reagoivat epäpuhtauksiin ja muihin esteisiin.

Artist illustration of Andreev reflection.
Illustraatio suprajohtimen ja atomitasoisen terävän metallikärjen välisestä Andrejevin heijastumasta. Kuva. Aalto-yliopisto/Jose Lado.

Tutkijat mittasivat atomisen terävän metallikärjen ja suprajohtimen välisen sähkövirran, sekä sen, miten riippuvainen virta oli kärjen ja johtimen etäisyydestä. Näin he säilyttivät atomitason kuvantamisresoluution ja pystyivät silti havaitsemaan suprajohtimeen takaisin kimpoavan Andrejev-heijastuksen määrän. Professori Ladon teoreettinen malli ennusti kokeen tuloksen täysin.

“Tämä tekniikka antaa meille erittäin tärkeän uuden tavan ymmärtää epätavallisten suprajohtimien sisäistä kvanttirakennetta. Se voi auttaa meitä monissa kvanttimateriaaleihin liittyvissä avoimissa kysymyksissä”, Lado sanoo. Epätavalliset suprajohtimet ovat mahdollisia kvanttitietokoneiden rakennuspalasia, ja voivat mahdollistaa huoneenlämmössä tapahtuvan suprajohtamisen. Huoneenlämpöinen suprajohdin olisi merkittävä läpimurto, sillä sen myötä johtimien käyttö helpottuisi ja kustannukset laskisivat huomattavasti.

Cooperin pareilla on uniikkeja sisäisiä rakenteita, jotka ovat tähän asti olleet haastavia ymmärtää. Löydön myötä tutkijat voivat nyt tarkastella Cooperin pareja suoraan ja suuremmassa mittakaavassa kuin ennen. Se on tärkeä askel kohti uusia kvanttiteknologioita.

Linkki julkaisuun:

Noncontact Andreev Reflection as a Direct Probe of Superconductivity on the Atomic Scale
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.2c00697

Lisätietoja:

Jose Lado
Professori
+358503133730
[email protected]

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lue lisää uutisia

Lauri Parkkonen and the family cat, Roosa. Photo: Lauri Parkkonen, Aalto, University.
Mediatiedotteet Julkaistu:

Mitä koirien ja kissojen aivoissa tapahtuu? Uusi kuvantamismenetelmä selvittää lemmikkien mielen saloja

Aalto-yliopiston professori Lauri Parkkosen ryhmä on vuosia kehittänyt kvanttioptisia antureita aivomagneettikäyrän eli magnetoenkefalografian (MEG) mittaamiseen. Toisin kuin perinteisessä MEG-laitteessa, jossa hyvin kylmässä toimivat suprajohtavat anturit vaativat ympärilleen senttimetrejä paksun lämpöeristeen, nämä uudet huoneenlämpötilassa toimivat anturit voidaan tuoda suoraan pään pinnalle. Tämä mahdollistaa entistä tarkemmat aivomagneettikäyrien mittaukset. MEG-kuvantaminen on tutkittavalle kivutonta ja turvallista.
Kuvaa laitteittosta Aalto-yliopsiton Kylmälaboratoriossa.
Mediatiedotteet Julkaistu:

Ikuinen liike on mahdollista – Aalto-yliopiston Kylmälaboratoriossa havainnoitiin kahden fysiikan lait haastavan aikakiteen välistä vuorovaikutusta

Aikakiteet ovat aineen olomuoto, jossa hiukkaset liikkuvat ikuisesti toistuvassa rytmissä ilman ulkopuolista energiaa. Tutkijat onnistuivat luomaan Aalto-yliopiston Kylmälaboratoriossa kaksi aikakidettä ja tarkkailemaan niiden välistä vuorovaikutusta. Tulevaisuudessa aikakiteitä voi hyödyntää erilaisissa laitteissa, kuten kvanttitietokoneiden muistina.
Valkoinen laboratoriotakki sekä analyysityökalu, jolla voidaan mitata veripisarasta särkylääkkeen pitoisuus.
Mediatiedotteet Julkaistu:

Kannettava ja nopea analysointityökalu voi mullistaa kipulääkkeiden diagnostiikkamarkkinat

Aalto-yliopistosta ponnistanut startup-yritys Fepod Oy Ltd on kehittänyt diagnoosimenetelmän, jolla potilaan veren kipulääkepitoisuus voidaan selvittää nopeasti ja edullisesti suoraan hoitopaikalla.
Yhdistelmäkuva, jossa näkyy revontulia, Maa, mittauksia.
Mediatiedotteet Julkaistu:

Suomi 100 -satelliitti teki sen, mihin aiemmin pystyivät vain paljon suuremmat: kuvasi ja tutki revontulia

Revontulialueen tutkiminen auttaa esimerkiksi turvallisten tietoliikenneyhteyksien kehittämisessä.