Jose Lado: Tärkeintä on löytää jotain odottamatonta

Tutkin teoreettista ja erityisesti tiiviin aineen fysiikkaa. Tutkin muun muassa sitä, miten elektronit käyttäytyvät, kun muutamme niiden energiatasoja. Tätä kutsutaan elektronien järjestäytymiseksi. Voimme saada aikaan eksoottisia tiloja, jotka voivat esiintyä yksittäisissä atomeissa ja elektroneissa, hyödyntämällä uudenlaisia kollektiivisia ilmiöitä. Nämä uudenlaiset tilat voivat johtaa elektronien eksoottiseen järjestäytymiseen, joka tarjoaa mahdollisuuden tutkia fysiikkaa aiemmin tuntemattomilla tavoilla, avaten samalla uusia kvanttilaskennan mahdollisuuksia. 

Olen erityisen kiinnostunut grafeenista, kaksiulotteisesta hiililevystä. Teoreettiseen tutkimukseeni kuuluu selvittää, mitä grafeenille on tehtävä, jotta saadaan aikaan täysin uutta eksoottista järjestäytymistä, jota ei muuten esiinny. Grafeeniin voidaan esimerkiksi yhdistää muita materiaaleja tai grafeenikerroksia voidaan yhdistää keskenään. Yhdistelemällä toistensa suhteen kierrettyjä kerroksia voidaan hallita paitsi elektronien liikettä, myös niiden välistä vuorovaikutusta. Sitä on miltei mahdotonta hallita muissa materiaaleissa. Eksoottisten tilojen luominen vaatii elektronien vuorovaikutuksen hallintaa, mikä on nyt mahdollista grafeenin avulla. Tällä tavoin voidaan esimerkiksi selvittää, miten voidaan luoda huoneenlämmössä toimiva suprajohde tai miten voidaan luoda materiaali, jossa ilmenee kvanttiominaisuuksia makroskooppisella tasolla. Minua kiinnostaa erityisesti parafermionin luominen. Se on hiukkanen, jota ei ole olemassa ja jolla on ainutlaatuisia kvanttiominaisuuksia.

Tiiviin aineen fyysikot voivat saada laboratoriossa aikaan sidottuja Majorana-tiloja. Sidotut Majorana-tilat käyttäytyvät kuin Majorana-fermionit. Näistä hiukkasista tiedetään vain teoreettisella tasolla, eikä niiden ole havaittu esiintyvän luonnostaan maailmankaikkeudessa. Tämä on tärkeää kvanttitietokoneita kehittäville tutkijoille, koska sidottujen Majorana-tilojen avulla voitaisiin toteuttaa topologinen kvanttilaskenta, yksi kvanttilaskennan tyypeistä.

Teoria kuitenkin osoittaa, että kaikkia kvanttialgoritmien tyyppejä ei voida toteuttaa käyttämällä sidottuja Majorana-tiloja. Tämän vuoksi haluan selvittää, miten voidaan saada aikaan uudenlainen sidottu tila, jota kutsutaan parafermioneiksi. Kuten Majorana-fermioneita, myöskään parafermioneita ei todennäköisesti ole valmiina reaalimaailmassa, vaan niitä on tehtävä sidotussa tilassa eksoottisen aineen pinnalla. Tiedämme kuitenkin sen, että jos onnistumme valmistamaan parafermioneita laboratoriossa, niiden avulla voitaisiin tehdä kaiken tyyppisiä kvanttilaskennan algoritmeja. Tämän seurauksena parafermioneita käyttävä tietokone voisi pitkällä aikavälillä toteuttaa minkä tahansa kvanttialgoritmin, ja tällä voisi olla mullistavia vaikutuksia esimerkiksi lääkeainemallinnuksessa.

Mikä sinua kiinnostaa omassa alassasi?

Minua kiinnostaa tutkia eksoottisia asioita, jotka voidaan rakentaa teoreettisesti yhdistelemällä aineksia uudella tavalla, ilman että niitä esiintyy luonnossa. Tavoitteena on luoda jotain, mitä ei aikaisemmin ollut olemassa. Tutkimusongelmissani yhdistyy usein kolme asiaa. Ne liittyvät syviin matemaattisiin teorioihin, näitä teorioita sovelletaan fysiikan perusperiaatteisiin ja lisäksi tutkimuksella voi olla tulevaisuudessa merkittäviä vaikutuksia kvanttiteknologian kehitykseen.

Alempaa korkeakoulututkintoa tehdessäni suoritin teoreettista fysiikkaa ja kiinteän olomuodon fysiikkaa käsitteleviä kursseja. Tein kesätutkimushankkeen, jonka aikana kiinnostuin enemmän uudenlaisista ilmiöistä tiiviin aineen fysiikassa. Siitä sain innoituksen tehdä ylemmän korkeakoulututkinnon ja lopulta tohtorin tutkinnon uudenlaisista ilmiöistä grafeenissa.

Tutkijana täytyy olla loputtoman kiinnostunut tutkimusaiheestaan. On oltava halu oppia lisää ja yrittää saavuttaa jotain, mitä ei ole koskaan aikaisemmin nähty. Ei pidä tyytyä siihen, mikä on jo kaikkien tiedossa. Sen sijaan pitää kyseenalaistaa se, mitä pidetään mahdollisena.

Mitä odotat tulevaisuudelta?

Kun aloitin tutkimustyöni, grafeenia pidettiin materiaalina, jolla oli monia poikkeuksellisia ja kiinnostavia ominaisuuksia. Sitä ei kuitenkaan pidetty parhaana materiaalina eksoottisten elektronien järjestäytymisen tutkimukseen. Tämä muuttui alle kaksi vuotta sitten, kun huomattiin, että yhdistelemällä grafeenin kerroksia älykkäällä tavalla voidaan joustavasti tutkia vahvaa fysikaalista vuorovaikutusta grafeenissa. Tämä havainto avasi kokonaan uuden tutkimusalueen ja osoitti, että eksoottisia vahvasti vuorovaikuttavia ilmiöitä voidaan tutkia järjestelmässä, joka on tehty vain hiiliatomeista.

Tämä on osoitus siitä, että tieteessä voi tapahtua valtavia yllätyksiä ja että tapahtuessaan ne voivat avata aivan uudenlaisia mahdollisuuksia, jotka ovat saattaneet jäädä aiemmin täysin huomaamatta. Mielestäni tämä on hyvin kiehtovaa. Etsimällä oikeasta paikasta saattaa löytyä kokonainen uusi maailman tutkittavaksi. Tulevaisuudessa haluaisin löytää jonkin toisen aineen tai ilmiön, joka on vielä jätetty huomiotta, mutta joka on hyödyllinen eksoottisten fysikaalisten ilmiöiden tutkimuksessa. Tärkeintä on löytää jotain odottamatonta. Se on minulle tutkimustyön kaikkein kiehtovin osa.