Eurooppalainen jättirahoitus uusien kvanttimateriaalien tutkimukseen

Kvanttiteknologiasta hahmotellaan ratkaisua monenlaisiin ihmiskuntaa koetteleviin haasteisiin aina ilmastonmuutoksesta ja parantumattomista sairauksista koti-Suomen matavaan talouskehitykseen saakka. Uusi teknologia kuitenkin edellyttää uudenlaisia ja ennennäkemättömiä materiaaleja. Näiden tuottaminen on tutkijoille valtava haaste.

Pian alkava suomalainen jättiprojekti pyrkii kehittämään näitä kriittisiä rakennuspalikoita tulevaisuuden kvanttilaitteiden mahdollistamiseksi. Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan professori, uuden Suomen kvanttilippulaivan johtaja Peter Liljeroth on saanut Euroopan tutkimusneuvostolta miljoonarahoituksen kvanttimateriaaleja koskevaan tutkimukseen. Hanke alkaa vuodenvaihteessa ja sen toivotaan tulevaisuudessa mahdollistavan teknologioita, joita ei vielä ehkä osata edes kuvitella.

Sanalla kvanttimateriaali ei viitata materiaaleihin siinä merkityksessä kuin käsite tavallisesti ymmärretään. Siinä missä esimerkiksi puu, muovi tai metalli itsessään ovat tavanomaisia materiaaleja, kvanttimateriaalilla puolestaan viitataan erityisiin sähköisiin ominaisuuksiin, joita tavanomaiset materiaalit voivat tiettyjen edellytysten täyttyessä saada.

Yksi esimerkki kvanttimateriaalista on suprajohde, jota luonnehtii sen kyky johtaa sähköä täysin ilman vastusta. Suprajohtavuus astuu kuvaan silloin, kun aineen – esimerkiksi elohopean – lämpötila lähestyy absoluuttista nollapistettä. Suprajohteet on tunnettu jo yli sata vuotta ja niitä käytetään rutiininomaisesti esimerkiksi magneettikuvantamisessa.

Uusiakin kvanttimateriaaleja kuitenkin tarvittaisiin. Ongelma on, että niitä on helpompi keksiä teoriassa kuin valmistaa käytännössä. Tämä johtuu siitä, että vaikka kvanttimateriaalien raaka-aineiksi tarvittavia aineita löytyykin luonnosta, kvanttiominaisuuksia niillä ilmenee vasta, kun niiden elektronit saadaan vuorovaikuttamaan sopivasti.

“Olisi hirveän kätevää, jos tähän olisi systemaattinen menetelmä. Näin pystyisimme tekemään ja tuunaamaan uusia  kvanttimateriaaleja”, Liljeroth kuvaa tutkimuksen tavoitetta.

Liljerothin tutkimusryhmän erityinen tutkimuskohde ovat niin sanotut kaksiulotteiset (2D-) heteromateriaalit. Niiden valmistamiseksi tutkijat tuovat yhteen kaksi ohuen ohutta – vain yhden tai muutaman atomin paksuista – kerrosta materiaaleista, jotka normaalisti eivät esiinny yhdessä. Näin syntyvässä keinotekoisessa materiaalissa tutkijat pystyvät hallitsemaan elektronien vuorovaikutuksia, ja sen seurauksena uuden materiaalin ominaisuudet ovat enemmän kuin osiensa summa.

Monenlaisia sovelluksia

Vaikka uusien kvanttimateriaalien käyttötarkoitusta voi vasta hatarasti arvailla, inspiraatiota ajatusleikkiin voi etsiä nykyisistä kvanttilaitteista.

Näistä tunnetuimpia lienevät kvanttitietokoneet, joiden laskentatehon ajatellaan tulevaisuudessa olevan astronominen suhteessa tavallisiin tietokoneisiin. Ja silti ne nykyisellään ovat, Liljerothin luonnehdinnan mukaan, vielä “kehittymättömiä, pienen skaalan kvanttitietokoneita”, joita riivaavat monenlaiset ongelmat. Uudentyyppiset kvanttimateriaalit saattaisivat ratkaista haasteita mahdollistamalla uudenlaisten kubittien – eli kvanttitietokoneiden bittien – rakentamisen. 

Toisaalta kvanttitietokoneet ovat vain yksi esimerkki kvanttilaitteista, ja vaikkapa kvanttisensorit eli huippuherkät mittauslaitteet mahdollistavat jo nyt muun muassa lämpösäteilyn mittaamista tasolla, josta vähän aikaa sitten voitiin vain unelmoida.

Viisivuotinen projekti sai Euroopan tutkimusneuvostolta 2,5 miljoonan rahoituksen. Tutkimuksessa hyödynnetään Otananon tutkimusinfrastruktuuria.