Tampereen yliopisto

Elektronit käyttäytyvät kuin tsunamiaallot – tiedosta hyötyä uusien suprajohteiden etsinnässä

Jaa

Valtamerien tsunamit synnyttävät haaravirtauksia, joissa aallonkorkeus saattaa paikallisesti nousta useisiin metreihin jopa tuhansien kilometrien päässä. Vastaava ilmiö on nyt löydetty kaksiulotteisista elektronirakenteista kuten grafeeneista, ja sen avulla saatetaan pystyä selittämään suprajohtavuuden syntyä.

Kuva: Todd Turner / Unsplash
Kuva: Todd Turner / Unsplash

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

Avainsanat

Yhteyshenkilöt

Esa Räsänen
050 301 3386
esa.rasanen@tuni.fi

Kuvat

Kuva: Todd Turner / Unsplash
Kuva: Todd Turner / Unsplash
Lataa
Vuoden 2011 Japanin tsunamiaallot etenivät voimakkaina haaravirtauksina aina Amerikkaan saakka. Kuva: National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA).
Vuoden 2011 Japanin tsunamiaallot etenivät voimakkaina haaravirtauksina aina Amerikkaan saakka. Kuva: National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA).
Lataa
Nyt löydetty elektronien haaravirtaus periodisissa kaksiulotteisissa rakenteissa muuttaa käsitystämme mm. grafeenin sähkönjohtavuudesta. Kuva: Eric Heller.
Nyt löydetty elektronien haaravirtaus periodisissa kaksiulotteisissa rakenteissa muuttaa käsitystämme mm. grafeenin sähkönjohtavuudesta. Kuva: Eric Heller.
Lataa

Linkit

Tietoja julkaisijasta

Tampereen yliopisto
Tampereen yliopisto
Kalevantie 4
33014 TAMPEREEN YLIOPISTO

p. 0294 5211https://www.tuni.fi

Tampereen yliopisto kytkee yhteen tekniikan, terveyden ja yhteiskunnan tutkimuksen ja koulutuksen. Teemme kumppaniemme kanssa yhteistyötä, joka perustuu vahvuusalueillemme sekä uudenlaisille tieteenalojen yhdistelmille ja niiden soveltamisosaamiselle. Luomme ratkaisuja ilmastonmuutokseen, luontoympäristön turvaamiseen sekä yhteiskuntien hyvinvoinnin ja kestävyyden rakentamiseen. Yliopistossa on 21 000 opiskelijaa ja henkilöstöä lähes 4 000.
Rakennamme yhdessä kestävää maailmaa. 

Tilaa tiedotteet sähköpostiisi

Haluatko tietää asioista ensimmäisten joukossa? Kun tilaat mediatiedotteemme, saat ne sähköpostiisi välittömästi julkaisuhetkellä. Tilauksen voit halutessasi perua milloin tahansa.

Lue lisää julkaisijalta Tampereen yliopisto

Verotutkimuksen huippuyksikkö Tampereen yliopistoon14.10.2021 09:30:00 EEST | Tiedote

Suomen Akatemia on valinnut Tampereen yliopiston johtaman verotutkimuksen konsortion huippuyksikköohjelmaansa. Huippuyksikön tavoitteena on tuottaa uutta tietoa verotuksesta ja tulonsiirroista. Tutkimuksen tulokset voivat vaikuttaa olennaisesti yhteiskuntapoliittisiin suosituksiin verojärjestelmää suunniteltaessa. Huippuyksikössä ovat mukana myös Valtion taloudellinen tutkimuskeskus VATT sekä Helsingin yliopisto.

3D-mallintaminen toimii hyvänä perustana nenä- ja sivuonteloiden tutkimiselle13.10.2021 10:45:25 EEST | Tiedote

Nenä- ja sivuonteloiden kuvantamistutkimukset perustuvat nykyään tietokonetomografiaan, jolla saadaan hyvä hahmotus nenän ja sen sivuonteloiden rakenteista, mutta ei niiden toiminnallisesta tilanteesta. Toiminnallisten nenävirtauksen mittaustutkimusten luotettavuus vaihtelee, eivätkä niiden tulokset yhdessä kuvantamislöydösten kanssa ole aina yhteneviä tukkoisesta nenästä kärsivien potilaiden oireiden kanssa. Lääketieteen lisensiaatti Olli Valtonen totesi väitöstutkimuksessaan, että tietokonetomografiaan pohjautuvat 3D-mallinnukset toimivat luotettavan tasoisesti tutkimuskäyttöä varten.

Asteroidien sisärakenne selville tomografisen tutkan avulla – tiedosta apua aurinkokunnan syntyvaiheiden selvittämisessä ja asteroidien torjunnassa13.10.2021 09:18:36 EEST | Tiedote

Diplomi-insinööri Liisa-Ida Sorsa osoittaa matematiikan alan väitöskirjassaan, että matalataajuisella tutkalla mitaten voidaan tunnistaa pienten taivaankappaleiden kuten kivikasa-asteroidien sisärakenteista esimerkiksi onkaloita, halkeamia tai tihentymäalueita asteroidia kiertävästä satelliitista käsin. Tieto auttaa selvittämään aurinkokunnan syntyvaiheita, torjumaan asteroidien törmäyksiä Maahan sekä kohdentamaan malminetsintää.

Turvallisuusviranomaisten työhön tehoa työyhteisötaitoja johtamalla12.10.2021 10:00:00 EEST | Tiedote

Turvallisuusviranomaisten työssä on perinteisesti korostettu johtamista ja esimiestyötä puhuttaessa strategisiin tavoitteisiin pääsemisestä. Hallintotieteiden maisteri Arto Hietasen tuore väitöskirja osoittaa, että myös työntekijöiden työyhteisötaidot ovat keskeisessä asemassa pyrittäessä asetettuihin strategisiin tavoitteisiin. Tutkimustulokset nostavat esille työyhteisötaitojen johtamisen tärkeyden osana organisaation strategisen henkilöstöjohtamisen kokonaisuutta.

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