Elektronit käyttäytyvät kuin tsunamiaallot – tiedosta hyötyä uusien suprajohteiden etsinnässä

Aikaisemmin haaravirtausta on löydetty valtamerien lisäksi muun muassa avaruuden mikroaaltosäteilystä, valon liikkeistä saippuakuplissa sekä elektronien liikkeestä puolijohteessa. Nyt Tampereen yliopiston, Madridin Rey Juan Carlos -yliopiston sekä Harvardin yliopiston fyysikot ovat yhteistyössä löytäneet haaravirtauksen kaksiulotteisesta elektronihilasta.

– Löytö on ainutlaatuinen, sillä tähän mennessä kaoottista haaravirtausta ei ole ajateltu esiintyvän säännönmukaisessa rakenteessa kuten kiinteässä aineessa, jossa atomit ovat järjestäytyneet säännölliseen hilaan, kertoo professori Esa Räsänen Tampereen yliopiston fysiikan yksiköstä.

Kuva: Nyt löydetty elektronien haaravirtaus periodisissa kaksiulotteisissa rakenteissa muuttaa käsitystämme mm. grafeenin sähkönjohtavuudesta. Kuva: Eric Heller.

Kansainvälisen tutkijaryhmän yllättävä löydös tuo uutta tietoa haaravirtauksen luonteesta sekä kvanttimekaanisten elektronien käyttäytymisestä. Tutkimustuloksen avulla ennustamattomina pidettyjä haaravirtauksia ja etenkin nyt löydettyjä elektronivirtauksia voidaan mahdollisesti ohjailla tulevaisuudessa.

Japanin tsunami kylvi tuhoa valtameren takana asti

Kymmenen vuotta sitten tapahtunut valtava maanjäristys Japanin Honshun saaren itäpuolella aiheutti noin 10 metrin korkuisen tsunamiaallon ja vaati noin 20 000 ihmisen hengen. Tsunamin vaikutukset tuntuivat Pohjois- ja Etelä-Amerikassa asti: esimerkiksi Kalifornian satamissa kärsittiin yli 100 miljoonan dollarin vahingot ja yksi ihminen menehtyi. Tsunamin tuhoisuus tuhansien kilometrien päässä yllätti tutkijat.

– Tsunamiaallon energian voisi ajatella jakaantuneen niin laajalle alueelle, ettei vaikutuksia enää nähtäisi noin kaukana. Energia onkin levinnyt laajalle alueelle, mutta se ei ole jakaantunut tasaisesti, vaan synnyttänyt niin sanotun haaravirtauksen (branched flow). Yksittäisissä haaroissa energiatiheys saattaa nousta valtavaksi, taustoittaa Räsänen.

Japanin tsunamin tapauksessa havaittiin jopa metrien korkuisia aaltoja tuhansien kilometrien etäisyydellä järistyksen lähteestä.

Kuva: Vuoden 2011 Japanin tsunamiaallot etenivät voimakkaina haaravirtauksina aina Amerikkaan saakka. Kuva: National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA).

Haaravirtaus syntyy, kun aallot tai säteet kääntyilevät aineen tai ympäristön pienten epätasaisuuksien vuoksi. Nämä pienet kääntymiset kasaantuvat ajan myötä siten, että pitkillä etäisyyksillä aallot ovat kaoottisesti haarautuneita kuin puun oksistot.

– Valtamerissä pohjan epätasaisuuksilla on pieni mutta ajan ja matkan kasvaessa havaittava vaikutus aaltojen paikalliseen korkeuteen. Japanin tsunamin tapauksessa näistä paikallisista haara-aalloista kärsittiin Kaliforniassa asti, Räsänen kertoo.

Elektronivirtauksien tuntemisesta apua uusien suprajohteiden löytämiseen

Tutkijaryhmän uusi löydös muuttaa käsityksemme haaravirtauksen luonteesta sekä siitä, miten kvanttimekaaniset elektronit käyttäytyvät suurilla energioilla periodisessa systeemissä kuten esimerkiksi grafeenissa.

– Tällöin hilarakenteesta eli grafeenin tapauksessa hiiliatomeista muodostuu haaravirtaukseen vaadittava “merenpohja”, jolloin elektroneja kvanttimekaanisesti kuvaavat aaltopaketit kääntyilevät ja kerääntyvät kuin tsunamiaallot Tyynessä valtameressä, Esa Räsänen havainnollistaa.

Valtamerissä haaravirtaukset ovat ennustamattomia, mutta nyt tutkimuksessa löydettyjä elektronivirtauksia voidaan ohjailla muodostamalla niin sanottuja superlankoja. Superlangoissa elektronit johtuvat koko hilarakenteen läpi haluttuun suuntaan. Ilmiötä ei ole vielä kokeellisesti vahvistettu, mutta sillä saatetaan selittää esimerkiksi kaksoiskerrosgrafeenista vuonna 2018 löydettyä suprajohtavuutta.

– Elektronien haaravirtauksilla saattaa olla mullistavia sovelluksia etsittäessä uusia suprajohteita kaksiulotteisista materiaaleista kuten grafeenista ja sen monista johdannaisista, Räsänen lisää.

Tutkimustulokset on juuri julkaistu maailman toiseksi viitatuimmassa tieteellisessä lehdessä, Proceedings of National Academy of Sciences of the USA (PNAS). Viite: https://doi.org/10.1073/pnas.2110285118