Professori Päivi Törmä ja SuperC-konsortio kehittävät huoneenlämpöistä suprajohdetta kvanttigeometrian ja tekoälyn avulla

Suprajohtavuus on kvanttimaailman ilmiö, jossa sähkövastus ja energiahävikki katoavat, kun materiaali jäähdytetään äärimmäisen mataliin lämpötiloihin. Ilmiö auttaa säästämään energiaa, koska sitä hyödyntävä laite vaatii tavallista sähkölaitetta vähemmän energiaa. Suprajohtavuutta hyödynnetään esimerkiksi isoissa magneeteissa, lääketieteellisessä kuvantamisessa ja kvanttilaitteissa, ja sitä voisi käyttää myös tietokoneiden sähkönkulutuksen minimoimiseen.

Nykyisellään suprajohtavuuden saavuttaminen vaatii paljon energiaa, kalliita laitteistoja ja uusiutumattomia luonnonvaroja kuten heliumia kun elektronit jäähdytetään lähelle absoluuttista nollapistettä. Nyt Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan professori Päivi Törmä ja hänen johtamansa SuperC-konsortio saaneet merkittävää rahoitusta huoneenlämmössä toimivien suprajohteiden kehittämiseen.

Korkeammissa lämpötiloissa ja tavallisessa ilmanpaineessa toimivat suprajohteet voisivat esimerkiksi vähentää tieto- ja viestintäalan energiankulutusta tai vauhdittaa kvanttiteknologioiden ja suprajohtavia magneetteja hyödyntävän puhtaan fuusioenergian kehitystyötä. 

Törmän ja SuperC:n tarkoitus on tutkia miten kvanttigeometriana tunnetun kvanttifysiikan ilmiön käsitteitä voi yhdistää koneoppimiseen, ja miten tällä lähestymistavalla voisi löytää korkeammissa lämpötiloissa toimivia suprajohteita.

Tutkimuksen mahdollistaa osittain Simons Foundation -säätiön nelivuotinen yhteisrahoitus, joka on suunnattu seitsemälle SuperC-tutkijalle ja kansainvälisille kumppaneille. “Simons Collaboration on New Frontiers in Superconductivity” -nimeä kantavan yhteisrahoituksen tarkoitus on kehittää uutta teoreettista ymmärrystä suprajohtavuudesta, ja sitä johtaa Princetonin yliopiston professori B. Andrei Bernevig yhdessä Törmän kanssa.

 “Huoneenlämmössä toimivan suprajohteen kehittäminen on suuri haaste, jonka ratkaiseminen vaatii huipputieteentekijöiden, hallintoammattilaisten ja yliopistojen johdon yhteistyötä. Meiltä löytyy nämä kaikki, joten kovalla työllä ja joukkuehengellä onnistumme varmasti”, Törmä sanoo.

Kvanttigeometriaa ja tekoälyä

Loput tutkimuksen rahoituksesta tulee Klaus Tschira- ja Kavli-säätiöiden sekä lahjoittaja Kevin Wellsin yhteisprojektista nimeltään “Quantum geometry in 3D materials”, joka rahoittaa sekä Aallossa että muualla Euroopassa ja Yhdysvalloissa työskenteleviä SuperC-tutkijoita.

Törmä johtaa QG3D-lyhenteellä tunnettua projektia, jonka tarkoitus on luoda uusia kolmiulotteisia materiaaleja, jotka ovat suprajohtavia korkeissa lämpötiloissa. Kvanttigeometria on lupaava uusi työkalu tähän tarkoitukseen.

Törmä ja hänen silloinen tutkimusryhmäläisensä, nykyään akatemiatutkijana toimiva Sebastiano Peotta keksivät vuonna 2015 soveltaa kvanttigeometriaa niin sanottuihin litteisiin energiavöihin perustuviin suprajohteisiin. Aallossa Törmän tiimi sekä tutkijat maailmalla ovat kehittäneet kattavan teoreettisen ymmärryksen siitä, miten elektronien aaltofunktiot kietoutuvat toisiinsa ja mahdollistavat suprajohtavan virran, vaikka aiemman tiedon valossa elektronien ei pitäisi liikkua litteillä energiavöillä laisinkaan.

QG3D tutkii ilmiötä tarkemmin käyttäen apunaan tekoälyä ja koneoppimista, joiden tehtävä on nopeuttaa uusien suprajohteiden löytämistä. Uusien materiaalien ennustamisen lisäksi projektin päätarkoitus on syntetisoida ja karakterisoida ennustettuja materiaaleja kokeellisesti.

QG3D-projektiin kuuluu kahdeksan johtavaa teoreettisen ja kokeellisen fysiikan asiantuntijaa Euroopasta ja Yhdysvalloista, ja se yhdistetään osaksi SuperC-konsortiota. Vuonna 2022 alkunsa saanut Törmän johtama SuperC-konsortio koostuu 14 eurooppalaisesta ja amerikkalaisesta ryhmänjohtajasta ja yli 50 tutkijasta, joiden tarkoitus on kehittää huoneenlämmössä toimiva suprajohde vuoteen 2033 mennessä. Kansainvälisen rahoituksen lisäksi konsortiota rahoittaa suomalaiset Keele-säätiö, Jane ja Aatos Erkon säätiö, Magnus Ehrnroothin säätiö, ja Nesteen ja Fortumin säätiö. 

Aallon tutkijat käyttävät Suomen kansallisen nano-, mikro- ja kvanttiteknologian tutkimusinfrastruktuuri OtaNanon laitteistoa tutkimuksessaan.