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
James Webb -teleskoopin huikeita galaksikuvia nyt kaikkien saatavilla6.6.2025 12:15:00 EEST | Tiedote
COSMOS Web -hanke on kartoittanut osan syvästä avaruudesta tarkemmin kuin koskaan aiemmin.
Tutkimus: Puurakentaminen voi vähentää uusien rakennusten alkuvaiheen päästöjä lähes kolmanneksen4.6.2025 12:44:18 EEST | Tiedote
Uusi tutkimus korostaa puun ilmastohyötyjä rakentamisessa ja vaatii selkeämpiä määritelmiä hybridirakennuksille.
New wooden buildings can slash upfront emissions by nearly a third, study shows4.6.2025 12:44:18 EEST | Press release
New research highlights the climate benefits of wood in construction and calls for clearer definitions for hybrid buildings.
Startupit ovat Suomelle valtava mahdollisuus – Aalto-yliopiston uusi yrittäjyysohjelma tähtää harppaukseen niiden määrässä ja menestyksessä2.6.2025 10:00:42 EEST | Tiedote
Ideana on luoda parhaiden osaajien yhteisö, joka nostaa kasvuyrittäjien taitotasoa ja kunnianhimoa, sanoo Mårten Mickos, yksi ohjelman vetäjistä.
KAJ-yhtyeen Eurooppaa kiertänyt sauna mallinnettiin 3D:nä – Aalto-yliopisto tallentaa Pohjanmaan kulttuuriperintöä virtuaalitodellisuuteen16.5.2025 13:50:00 EEST | Tiedote
Kuka tahansa voi kurkistaa sisään Euroopan sydämet valloittaneen KAJ-yhtyeen kuuluisaan saunaan, sillä se on nyt mallinnettu 3D:nä. Aalto-yliopiston tutkijat kuvasivat saunan Vöyrillä osana laajempaa hanketta, jossa tallennetaan pohjalaista kulttuuriperintöä uudella tavalla. 3D-malli saunasta on nyt median vapaasti ladattavissa tästä kansiosta. Aalto-yliopiston Rakennetun ympäristön mittauksen ja mallinnuksen instituutti eli MeMo on parhaillaan Pohjanmaan kiertueella mallintamassa paikallisia museoita, rakennuksia ja esineitä. Tarkoituksena on kehittää uudenlaisia tapoja visualisoida ja pelillistää kulttuuriperintöä, ja näin innostaa nuoria sen pariin. Samalla luodaan saavutettavia virtuaalikokemuksia – teekkarimaisella rohkeudella, MeMon johtaja Hannu Hyyppä muistuttaa. Mallinnusta tehdään useilla erilaisilla 3D-teknologioilla. ”Drooniteknologialla mallinnamme rakennetun ympäristön. Tätä yhdistetään sitten laserkeilausaineistoon, jota otetaan sekä ulkoa että sisältä. Erilaiset kamera-
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