Voiko huoneenlämmössä toimiva suprajohde löytyä? Tutkijat etsivät materiaalia, jota ei vielä ole olemassa

Mieluummin tutkimuskohde, jonka merkitys on todella selkeä, vaikka onnistuminen ei ole varmaa, kuin jokin, millä on pienempi merkitys mutta onnistuminen on varmaa.

Tämä on Aallon teknillisen fysiikan professorin Päivi Törmän ajatus työstään. Hän johtaa kansainvälistä konsortiota, joka koettaa vuoteen 2033 mennessä ratkaista yhden fysiikan suurista haaveista: löytää huoneenlämmössä toimivan suprajohteen.

”Halusin tässä vaiheessa uraani ja elämääni tehdä jotain, millä on todella iso merkitys. Mietin, mistä itselläni on syvällistä osaamista ja näyttöjä ja mikä olisi toisaalta äärimmäisen tärkeää maailmalle.”

Suprajohtavuus on kvantti-ilmiö, jossa sähkövastus ja energiahävikki katoavat, kun materiaali jäähdytetään äärimmäisen mataliin lämpötiloihin. Sitä hyödynnetään esimerkiksi suurissa magneeteissa, lääketieteellisessä kuvantamisessa ja kvanttilaitteissa.

Suprajohtavuus löydettiin yli sata vuotta sitten, ensin elohopeasta, mutta yhä sen saavuttaminen vaatii paljon energiaa, kalliita laitteistoja ja uusiutumattomia luonnonvaroja kuten heliumia, jonka avulla elektronit jäähdytetään lähelle absoluuttista nollapistettä. Yleisimmin suprajohteena käytetään niobiumia ja sen seoksia.

Läpimurrolla olisi valtava merkitys tieto- ja viestintätekniikassa, jonka globaalia energiankulutusta se voisi vähentää jopa 25 prosentin verran. Tarve on polttava datakeskusten ja tekoälyn aikana. Uusia suprajohteita voitaisiin käyttää myös esimerkiksi lääketieteen kuvantamislaitteissa, leijuvissa junissa sekä kvanttiteknologioiden ja fuusioenergian kehitystyössä.

Nyt on hyvä hetki yrittää

SuperC perustuu yhteistyön voimaan. Tavoite on niin suuri, että yksi tutkimusryhmä ei sitä ratkaise.

Vaikka aiemmat yritykset eivät ole tuoneet tulosta, nyt edellytyksiä parantavat huomattavasti etenkin koneoppimismenetelmät ja uudet teoreettiset lähestymistavat, kuten kvanttigeometria, johon Törmän oma tutkimus liittyy.

Törmä sovelsi vuonna 2015 kvanttigeometriaa niin sanottuihin litteisiin energiavöihin perustuviin suprajohteisiin. Litteä vyö on kvanttimaailman tila, jossa elektronit eivät liiku ollenkaan, ja tämä mahdollistaa suprajohtavuuden korkeammassa lämpötilassa. Materiaali, jossa olisi tällaisia litteitä vöitä, on yksi lupaava mahdollisuus.

Millaista on etsiä jotain, mitä ei nykytiedolla vielä ole olemassa? Kiehtovaa ja jännittävää, sanoo Törmä.

Työ ei ole pelkkää kaukaiseen maaliin tähtäämistä vaan normaalia tieteellistä työtä, jossa edetään välietappien kautta, syntyy uusia tutkimustuloksia ja julkaistaan artikkeleita. Törmä kiittelee suomalaisten säätiöiden avarakatseisuutta, kun ne lähtivät ensimmäisenä rahoittamaan hanketta.

”Tieteessä on vähän väliä otettu edistysaskeleita, kun on yritetty riskialttiita ja haastavia juttuja. Vaikka tämä ei onnistuisi, ihmiskunnan täytyy ilman muuta yrittää.”

Kokeita kylmälaboratoriossa

Vaikka päämääränä on materiaalin toimivuus huoneenlämmössä, kokeellisessa tutkimuksessa pitää mennä ultramataliin lämpötiloihin. Aalto-yliopiston kylmälaboratoriossa voidaan jäähdyttää näytteitä lähelle absoluuttista nollapistettä sekä tutkia näin kvantti-ilmiöitä ja ymmärtää suprajohtavuuden mekanismeja paremmin.

Professori Pertti Hakonen on kylmälaboratorion tieteellinen johtaja ja vetää SuperC:n kokeellista tutkimusta Aallossa. Hänen ryhmänsä keskittyy kahden hiilen muodon, grafeenin ja grafiitin, suprajohtaviin ominaisuuksiin.

”Grafiitissa on hilavirheitä, ja käsitys on se, että jotkin niistä mahdollistavat suprajohtavuuden. Koetamme selvittää, missä tilanteessa grafiitissa on suprajohtavuutta ja missä lämpötilassa se ilmenee.”

Hilavirheet ovat poikkeamia grafiitin tavallisesta kiderakenteesta, ja niillä on merkittävä vaikutus grafiitin fysikaalisiin ominaisuuksiin.

Grafeeni on vuonna 2004 löydetty, erittäin kestävä hiilen muoto, joka koostuu atomin paksuisesta hiiliatomiverkosta. Atomin paksuinen tarkoittaa olemattoman ohutta ja melkein läpinäkyvää, joten ilman mikroskooppia sitä ei näe. Valmistus on hyvinkin konkreettista: yksi menetelmä on kuoria grafiitista kerroksia teipin avulla.

Yksi kvanttimaailman ihmeistä on se, että kun kaksi grafeenilevyä laitetaan päällekkäin siten, että ylempi on yhden asteen verran vinossa toiseen nähden, syntyy suprajohde. Tämän löysi vuonna 2018 MIT:n professori Pablo Jarillo-Herrero. Vuonna 2020 Päivi Törmän ja Jyväskylän yliopiston professorin Tero Heikkilän ryhmät osoittivat, että kvanttigeometria voi osin selittää tätä ilmiötä.

”Lisäksi meillä on intressiä muutaman kerroksen grafeeninäytteisiin, joissa olisi erityinen pinoamisjärjestys”, Hakonen kertoo.

Kone löytää materiaaleja

Suprajohteiden tutkimus on neulan etsintää heinäsuovasta. Luonnossa on noin sata alkuainetta, mutta mahdollisten yhdistelmien määrä nousee miljardeihin. Tässä koneoppiminen tulee apuun.

Kun algoritmia koulutetaan laskennallisten suprajohteiden tietokannoilla, se voi sen jälkeen tarkastella jopa satojen miljoonien aineiden rakenteita ja ennustaa suprajohteita. Ehdotuksia on jo tuhansia, ja kaksi on syntetisoitu laboratoriossa.

YRu3B2 ja LuRu3B2 ovat eräänlaisia metalleja, joita ei siis ole ollut ennen olemassa. Nämä toimivat yhden kelvinasteen lämpötilassa – kaukana huoneenlämmöstä – mutta tulos on uraauurtava näyttö koneoppimisen mahdollisuuksista.

Väitöskirjatutkija Kaja Hiorth työskentelee Törmän tutkimusryhmässä ja kehittää koneoppimismenetelmiä, joilla lasketaan suprajohtavuuden kannalta olennaisia ominaisuuksia kuten supranestepainoa.

”Ennen väitöstyötä olin Aallossa vaihto-opiskelijana, jolloin Suomi ja tutkimusryhmä tulivat tutuiksi. Pidin kovasti tästä paikasta ja yliopistosta, mikä ratkaisi päätöksen jäädä. Bonusta oli se, että Päivillä oli hyvin kiinnostava projekti”, Hiorth kertoo.

Tällä hetkellä koneoppimisen avulla löytyy konventionaalisia suprajohteita eli niitä, joiden suprajohtavuus jo ymmärretään. Läpimurtoa pitänee kuitenkin hakea ei-konventionaalisista. Niille ei vielä ole teoriaa, joitakin tutkimusideoita kuitenkin.

”Ensi alkuun hyödynnämme kokeellista dataa materiaaleista, jotka ovat suprajohtavia mutta joihin konventionaalinen teoria ei toimi. Tällöin niissä täytyy olla jotain ei-konventionaalista.”

Hiorth sanoo, että tavoite on valtava, mutta hän nauttii myös tehtävistä matkan varrella, päivittäisestä työstä ohjelmoinnin ja ongelmanratkaisun parissa.

”Suprajohteet voisivat mullistaa teknologian ja vaikuttaa merkittävästi ilmastonmuutokseen. Mutta en voi vain joka päivä kävellä kotiin pettyneenä, koska en ole vielä ratkaissut ilmaston lämpenemistä. Jokainen askel eteenpäin on tärkeä, ja yritän keskittyä siihen.”

SuperC

• Tavoitteena on löytää huoneenlämmössä ja normaalipaineessa toimiva suprajohde vuoteen 2033 mennessä.
• Konsortiossa on mukana 14 tutkimusryhmän johtajaa ja yli 80 tutkijaa neljästä maasta. Aalto-yliopisto koordinoi hanketta.
• Tutkimusta rahoittavat muun muassa Jane ja Aatos Erkon säätiö, Kavli-säätiö, Keele-säätiö, Magnus Ehrnroothin säätiö, Klaus Tschira Stiftung, Kevin Wells, Fortumin ja Nesteen säätiö, InstituteQ, Suomen Tiedeseura, Aalto Science Institute ja Aalto-yliopisto. 
• Osa SuperC:n tutkijoista on mukana myös Simons-säätiön suprajohtavuushankkeessa, jossa Päivi Törmä on varajohtaja.

SuperC-projekti on esillä Designs for a Cooler Planet -näyttelyssä 1.9.–30.10.2026 Marsiossa Aallon kampuksella, Otakaari 2, Espoo.

Teksti: Terhi Hautamäki 
Kuvitus: Tuomas Kärkkäinen

Artikkeli on julkaistu Aalto University Magazinen numerossa 38, syyskuussa 2026.