Nobelistin ennustama uudenlainen kvanttispinneste valmistettiin ensimmäistä kertaa – lupaava materiaali kvanttitietokoneisiin
Fysiikan nobelisti Paul W. Anderson esitti vuonna 1987 korkean lämpötilan suprajohtavuuden eli sähkövastuksen katoamisen liittyvän eksoottiseen kvanttitilaan, jota nykyään kutsutaan kvanttispinnesteeksi. Magneettiset materiaalit koostuvat hyvin pienistä magneeteista, pienimmillään yksittäisistä elektroneista, joiden voimakkuutta ja suuntaa kuvaa magneettinen momentti. Kvanttispinnesteissä magneettiset momentit käyttäytyvät nesteen tavoin eivätkä jähmety tai järjestäydy edes absoluuttisessa nollapisteessä.
Näitä kvanttitiloja tutkitaan lupaavina materiaaleina uudenlaisiin niin kutsuttuihin topologisiin kvanttitietokoneisiin, joiden toiminta perustuu hiukkasmaisiin viritystiloihin, joita on kvanttispinnesteissä. Topologisen kvanttitietokoneen erityispiirteenä on suuren laskentatehon lisäksi korkea virheensietokyky, joka mahdollistaa tietokoneen koon kasvattamisen. Topologisiin kvanttitietokoneisiin soveltuvia kvanttispinnesteitä tunnetaan kuitenkin vain muutamia.
Nyt Aalto-yliopiston, Brazilian Center for Research in Physicsin (CBPF), Braunschweigin teknillisen yliopiston ja Nagoyan yliopiston tutkijat ovat valmistaneet ensimmäistä kertaa Andersonin ennustaman suprajohteenkaltaisen kvanttispinnesteen. Tämä on tärkeä askel suprajohteiden ja kvanttimateriaalien ymmärtämisessä. Kvanttispinnesteen valmistamisen mahdollisti Aallon kemistien kehittämä uusi tapa räätälöidä magneettisten materiaalien ominaisuuksia. Tutkimuksen tulokset on julkaistu Nature Communications -julkaisussa.
Korkean lämpötilan suprajohteet ovat kuparioksideja, joissa kupari-ionit muodostavat neliörakenteen siten, että vierekkäiset magneettiset momentit osoittavat vastakkaisiin suuntiin. Kun tätä rakennetta häiritään muuttamalla kuparin hapetusastetta, materiaali muuttuu suprajohtavaksi. Nyt julkaistussa uudessa tutkimuksessa tällaisen neliörakenteen magneettisia vuorovaikutuksia muokattiin d10- ja d0-elektronirakenteen ioneilla, jolloin materiaali muuttui kvanttispinnesteeksi.
”Tätä uutta d10/d0 -menetelmää voidaan jatkossa hyödyntää monissa muissakin magneettisissa materiaaleissa mukaan lukien erilaiset kvanttimateriaalit”, visioi Aalto-yliopiston tohtorikoulutettava Otto Mustonen.
Saumatonta yhteistyötä
Kvanttispinnesteiden kokeellinen havaitseminen on hankalaa ja vaatii mittavaa tutkimusinfrastruktuuria.
”Hyödynsimme tutkimuksessa muon spin -spektroskopiaa, joka perustuu hyvin lyhytikäisten elektroninkaltaisten alkeishiukkasten eli myonien vuorovaikutukseen tutkittavan materiaalin kanssa. Menetelmällä voidaan havaita kvanttimateriaalien erittäin heikkoja magneettikenttiä”, kertoo Braunschweigin teknillisen yliopiston professori F. Jochen Litterst. Mittaukset suoritettiin Paul Scherrer Instituutissa Sveitsissä.
”Huippuoluokan tutkimuslaitteiden lisäksi tutkimus vaatii myös kemistien ja fyysikoiden välistä saumatonta yhteistyötä”, painottaa Aalto-professori Maarit Karppinen. ”Samanlaista kansainvälistä monitieteistä lähestymistapaa tarvitaan jatkossakin, jotta nyt vauhtia saanut kvanttispinnesteiden tutkimus johtaisi meidät topologisen kvanttitietokoneen jäljille."
Avainsanat
Yhteyshenkilöt
Otto Mustonen
otto.mustonen@aalto.fi
Aalto-professori Maarit Karppinen
p. 050 384 1726
maarit.karppinen@aalto.fi
Kuvat
Linkit
Tietoja julkaisijasta
Aalto-yliopistossa tiede ja taide kohtaavat tekniikan ja talouden. Rakennamme kestävää tulevaisuutta saavuttamalla läpimurtoja avainalueillamme ja niiden yhtymäkohdissa. Samalla innostamme tulevaisuuden muutoksentekijöitä ja luomme ratkaisuja maailman suuriin haasteisiin. Yliopistoyhteisöömme kuuluu noin 13 000 opiskelijaa ja yli 4 500 työntekijää, joista 400 on professoreita. Kampuksemme sijaitsee Espoon Otaniemessä.
Tilaa tiedotteet sähköpostiisi
Haluatko tietää asioista ensimmäisten joukossa? Kun tilaat tiedotteemme, saat ne sähköpostiisi välittömästi julkaisuhetkellä. Tilauksen voit halutessasi perua milloin tahansa.
Lue lisää julkaisijalta Aalto-yliopisto
Satelliittikuvat paljastavat ennallistamisen vaikutukset turvemailla9.7.2025 07:30:00 EEST | Tiedote
Yli 20 vuotta kattava satelliittiaineisto osoittaa, että ennallistettujen turvemaiden lämpötila ja heijastavuus alkavat muistuttaa luonnontilaisia soita noin vuosikymmenessä. Kasvillisuuden palautumisessa kestää pidempään, ja erot alueiden välillä ovat suurempia.
Tutkimus: Uusien rakennusten päästöistä 70 prosenttia tulee rakentamisesta – eikä sitä huomioida tarpeeksi30.6.2025 07:53:14 EEST | Tiedote
Energiatehokkuus ja uusiutuvan energian käyttö ovat vähentäneet uudisrakennusten elinkaaripäästöjä, mutta rakentamisen päästöt eivät ole laskeneet. Viheralueiden vaaliminen ja puurakentamisen suosiminen tekisi rakentamisesta kestävämpää, korostavat tutkijat.
Tutkimus: Seksuaali- ja sukupuolivähemmistöille myönteiset yritykset ovat selvästi innovatiivisempia18.6.2025 09:30:00 EEST | Tiedote
Yhdysvaltalaisia suuryrityksiä koskenut tutkimus kertoo, että patenttien määrä ja laatu kasvavat merkittävästi, jos yritys saa korkeat pisteet LGBTQ+-yhteisöä eli seksuaali- ja sukupuolivähemmistöjä tukevissa arvioinneissa.
Koneoppiminen tuo vallankumouksen tutkimukseen ja tuotekehitykseen – uuden tekoälyinstituutin johtajalle merkittävä EU-rahoitus17.6.2025 13:00:00 EEST | Tiedote
Uusi projekti ratkoo koneoppimisen keskeistä pullonkaulaa ja muodostaa myös yhden uuden ELLIS-instituutin tutkimuksen kulmakivistä.
A revolution for R&D with the missing link of machine learning — project envisions human-AI expert teams to solve grand challenges17.6.2025 13:00:00 EEST | Press release
Robust, deployable and collaborative machine learning (ML) methods are needed for artificial intelligence (AI) to become truly useful. This ERC-funded research aims to solve a major ML bottleneck and will form a cornerstone of the newly established ELLIS Institute Finland.
Uutishuoneessa voit lukea tiedotteitamme ja muuta julkaisemaamme materiaalia. Löydät sieltä niin yhteyshenkilöidemme tiedot kuin vapaasti julkaistavissa olevia kuvia ja videoita. Uutishuoneessa voit nähdä myös sosiaalisen median sisältöjä. Kaikki tiedotepalvelussa julkaistu materiaali on vapaasti median käytettävissä.
Tutustu uutishuoneeseemme