Jyväskylän yliopisto

Tutkimuslöydökset edistävät suprajohteiden hyödyntämistä kvanttiteknologiassa

Jaa

Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksen tutkijat yhdessä tamperelaisten, espanjalaisten, italialaisten ja yhdysvaltalaisten kollegoiden kanssa ovat tehneet kaksi merkittävää löydöstä, jotka lisäävät tietoa suprajohteiden toiminnasta ja joita voi hyödyntää kvanttiteknologian sovelluksissa. Arvostetussa Physical Review Letters -tiedelehdessä julkaistussa artikkelissa tutkijat selvittivät, että suprajohde kuljettaa magneettista informaatiota tavanomaista pidemmälle. Nature Communications -lehden tutkimusartikkelissa puolestaan raportoidaan tavasta muodostaa suprajohtava diodi.

Suprajohteiden avulla magneettista informaatiota voidaan kuljettaa paljon pidemmälle kuin tavanomaisissa johteissa.
Suprajohteiden avulla magneettista informaatiota voidaan kuljettaa paljon pidemmälle kuin tavanomaisissa johteissa.

Tutkijoiden havainto: Suprajohde kuljettaa magneettista informaatiota tavanomaista pidemmälle

Jyväskylän ja Tampereen yliopistoissa sekä San Sebastiánissa, Espanjassa työskentelevät tutkijat ovat osoittaneet, kuinka suprajohteiden avulla voidaan kuljettaa magneettista informaatiota paljon pidemmälle kuin tavanomaisissa johteissa. Löydöksellä voi olla sovelluksia magneettisiin materiaaleihin perustuvissa matalan lämpötilan muisti- ja logiikkaelementeissä.

Suprajohteet kuljettavat mitä tahansa kuumenematta – vai kuljettavatko?

Tietyt materiaalit ovat matalissa lämpötiloissa suprajohteita eli niiden sähkönvastus katoaa. Tästä seuraa, että kun suprajohteen läpi johdetaan sähkövirta, se ei kuumene lainkaan. Sähkövarauksen lisäksi elektronilla on muitakin ominaisuuksia, kuten spin, joka synnyttää eri materiaalien magneettiset ominaisuudet. Magnetismia ja suprajohtavuutta ei yleensä esiinny samassa materiaalissa, mutta jos magneettinen ja suprajohtava materiaali liitetään yhteen, ne vaikuttavat toisiinsa.

Tutkijat osoittivat arvostetussa Physical Review Letters -lehdessä julkaistussa artikkelissa, miten tietyissä tilanteissa suprajohteet eivät kuljeta pelkästään varausvirtoja vaan myös spinvirtoja pitkiä matkoja ilman lämpöhäviöitä. Tavanomaisissa metalleissa vastaavia häviöttömiä virtoja voidaan kuljettaa vain erittäin lyhyitä, atomien välisiä etäisyyksiä vastaavia matkoja. Tällaiset spinvirrat ovat hyödyllisiä, sillä ne välittävät magneettisia vuorovaikutuksia magneettisten elementtien välillä kontrolloidusti. Virtoja tarkastelemalla voidaan ymmärtää magneettien keskinäinen dynamiikka silloin kun niihin kohdistuu ulkopuolinen ajava voima. Tätä tutkitaan erityisesti magneettisten muistisovellusten yhteydessä.

Tällaiset spinvirrat saattavat olla vaikeita havaita, sillä ne eivät tuota sähköisiä signaaleita. Ne voidaan kuitenkin havaita tutkimalla järjestelmän magneettisessa konfiguraatiossa tapahtuvia muutoksia. Ne myös vaikuttavat voimakkaasti järjestelmän dynaamiseen magnetisaatiovasteeseen. Artikkelissa tutkijat kuvaavat erilaisia kokeellisia sormenjälkiä, joiden avulla tällaiset virrat voidaan havaita.

“Aikaisemmassa tutkimuskirjallisuudessa esitetyt näkemykset suprajohtavien spinvirtojen toiminnasta olivat melko hämmentäviä. Artikkelimme yhtenä tarkoituksena onkin tarjota yhtenäinen kuva siitä, miten kitkattomat spinvirrat sekä tavanomaiset kuumentumista aiheuttavat virrat toimivat”, selittää Risto Ojajärvi, joka suoritti ilmiötä kuvaavat laskut.

Työ selvittää myös, kuinka jossain tapauksissa kitkattomat spinvirrat itse asiassa aiheuttavat sen, että järjestelmä kokonaisuudessaan kuumenee enemmän kuin mitä se kuumenisi ilman niitä. Tämä kuumeneminen ei kuitenkaan tapahdu magneettien välisessä suprajohteessa, vaan magneeteissa itsessään, jotka pystyvät suprajohteen vuoksi kuljettamaan spiniä tehokkaasti keskenään. Tällaisia kollektiivisia dynaamisia ilmiöitä ei aiemmin tunnettu tässä kontekstissa, ja ne avaavat uudenlaisia näkymiä dynaamisten magneettisten tilojen hyödyntämiseksi.

Tutkimus on tehty osana EU:n Horisontti 2020 -ohjelmasta rahoitettua SUPERTED-projektia. 

Tutkimusartikkeli: Dynamics of Two Ferromagnetic Insulators Coupled by Superconducting Spin Current, Phys. Rev. Lett. 128, 167701 (2022)

Tutkijat löysivät tavan muodostaa suprajohtavan diodin

Eurooppalainen tutkijakonsortio Pisasta, Jyväskylästä ja San Sebastianista yhdessä USA:laisen MIT-yliopiston tutkijan kanssa on osoittanut, kuinka suprajohteista ja magneeteista koostuvassa nanorakenteessa sähkövirta voi kulkea pääsääntöisesti yhteen suuntaan kuten puolijohdediodeissa. Nämä uudet suprajohtavat diodit toimivat kuitenkin paljon puolijohteita matalammissa lämpötiloissa, minkä vuoksi niitä voi hyödyntää kvanttiteknologian sovelluksissa.

Suprajohteet sopivat kvanttiteknologian elektroniikkaan

Monet arjessa käyttämämme sähköiset laitteet, kuten radiot, tietokoneet ja aurinkopaneelit, käyttävät hyväkseen diodeja, joissa sähkövirta kulkee pääosin vain yhteen suuntaan. Diodit perustuvat puolijohteisiin ja vaativat toimiakseen riittävän korkean lämpötilan. Siksi niiden käyttö on ongelmallista muutaman asteen päässä lämpötilan absoluuttisesta nollapisteestä, missä tulevaisuuden kvanttiteknologiat toimivat parhaiten.

Suprajohteet ovat johteita, joissa ei yleensä havaita sähköistä vastusta. Jos ne yhdistetään toisiin materiaaleihin, itse kontaktin vastus voi silti olla suuri johtuen suprajohteiden toisesta ominaisuudesta: sähköisille viritystiloille kielletystä energia-alueesta, energia-aukosta. Puolijohteissa on samankaltainen energia-aukko valenssi- ja johtavuusvyön välillä, mutta tavallisesti paljon suurempi.

Suprajohteiden energia-aukon olemassaolo on tunnettu jo kymmeniä vuosia, ja sitä käytetään usein epäsuorana osoituksena suprajohtavuudesta. Suprajohdekontakteihin liittyvää diodiefektiä ei ollut kuitenkaan aiemmin havaittu, sillä energia-aukon lisäksi se vaatii kontaktin virta-jännitekäyrän symmetrian rikkomista. Tutkijaryhmä osoitti, kuinka tuo symmetria rikotaan tuomalla liitokseen magneettisia materiaaleja. Näin syntyvä laite on suoraan kvanttiteknologian käytettävissä, sillä monet nykyisin tutkitut kvanttiteknologiat pohjautuvat suprajohteisiin.

Yhteistyön voimaa – löydökseen törmättiin muun tutkimuksen ohessa

Suprajohtava diodi löytyi EU:n rahoittamassa SUPERTED-projektissa (Future and emerging technologies FET Open -hanke). Siinä pyritään luomaan maailman ensimmäinen suprajohtava lämpösähköinen sähkömagneettisen säteilyn mittari, joka pohjautuu suprajohteita ja magneetteja yhdisteleviin nanorakenteisiin.

”Itse asiassa diodiominaisuus löytyi sattumalta, kun mittasin SUPERTED-näytteiden ominaisuuksia”, kertoo Elia Strambini, joka teki alkuperäisen havainnon. ”Tämä löydös on hyvin lupaava erilaisiin kvanttiteknologian sovelluksiin, kuten virran tasasuuntaukseen tai rajoittamiseen”, selittää Francesco Giazotto, joka johti kokeellista projektia. Strambini ja Giazotto työskentelevät Pisan Istituto Nanosciencessa ja Scuola Normale Superioressa, Italiassa.

Laitteen teoriaa on tutkinut myös SUPERTEDin johtaja, Jyväskylän yliopiston professori Tero Heikkilä, joka lisää: ”Tämä löydös on hieno osoitus mahdollisuuksista, joita kohtaamme monipuolisessa kansainvälisessä yhteistyössä eri alojen tutkijoiden kanssa. Ilman eurooppalaista rahoitusta se ei onnistuisi.”

Tutkimusartikkeli: Superconducting spintronic tunnel diodeNature Commun. 13, 2431 (2022)

Avainsanat

Yhteyshenkilöt

Lisätietoja:
Risto Ojajärvi, risto.ojajarvi@iki.fi, p. +358 40 8377 368 (PRL-lehdessä julkaistu artikkeli)
Tero Heikkilä, Tero.T.Heikkila@jyu.fi, p. +358 40 8054804
SUPERTED-projekti: https://superted-project.eu/

Kuvat

Suprajohteiden avulla magneettista informaatiota voidaan kuljettaa paljon pidemmälle kuin tavanomaisissa johteissa.
Suprajohteiden avulla magneettista informaatiota voidaan kuljettaa paljon pidemmälle kuin tavanomaisissa johteissa.
Lataa

Tietoja julkaisijasta

Jyväskylän yliopisto
PL 35
40014 Jyväskylä

http://www.jyu.fi

Jyväskylän keskustassa sijaitsevan yliopiston kauniilla puistokampuksella sykkii monitieteinen ja moderni tiedeyliopisto – ihmisläheinen ja dynaaminen yhteisö, jonka 2500 asiantuntijaa ja 15 000 opiskelijaa etsivät ja löytävät vastauksia huomisen kysymyksiin. Jyväskylän yliopisto on ollut tulevaisuuden palveluksessa jo vuodesta 1863, jolloin suomenkielinen opettajankoulutus sai alkunsa täältä. Voimanlähteenämme on moniarvoinen vuoropuhelu tutkimuksen, koulutuksen ja yhteiskunnan välillä. Vaalimme tutkimuksen ja koulutuksen tasapainoa sekä ajattelun avoimuutta – sytytämme taidon, tiedon ja intohimon elää viisaasti ihmiskunnan parhaaksi. www.jyu.fi

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 Jyväskylän yliopisto

Lonkkamurtumasta toipuvien iäkkäiden potilaiden toimintakyky paranee pitkäkestoisella liikuntaharjoittelulla20.5.2022 09:00:00 EEST | Tiedote

Vuoden ajan kaksi kertaa viikossa tehdyllä kotiharjoittelulla voidaan parantaa lonkkamurtuman saaneiden ikääntyneiden fyysistä toimintakykyä tavanomaista hoitoa paremmin. Jyväskylän ja Helsingin yliopistojen ja Etelä-Karjalan sosiaali- ja terveyspiirin tekemän tutkimuksen mukaan kotiharjoitteluun osallistuneilla selviytyminen päivittäisistä askareista oli parempaa kuin harjoitteluun osallistumattomalla ryhmällä.

Riittääkö ruokatuotannossa sitkeys ja tahto? – tutkimus selvitti itäsuomalaisten tilojen muutoskykyä20.5.2022 07:15:00 EEST | Tiedote

Suomalainen maatalous elää kriisien sävyttämää murrosvaihetta, jossa ruuantuottajien muutoshalukkuus punnitaan. Jyväskylän yliopiston kauppakorkeakoulussa tehdyn tutkimuksen mukaan maatilojen resilienssi, eli halukkuus ja kyky sopeutua osana uudistuvaa järjestelmää, vaihtelee suuresti. Tutkimuksen mukaan jopa neljännes tiloista ei halua tai voi pysyä mukana vaaditussa kehityksessä, vaan saattaa lopettaa toimintansa tulevina vuosina.

SA:n luonnontieteiden ja tekniikan tutkimuksen toimikunta valitsi akatemiatutkijat ja tutkijatohtorit – Jyväskylän yliopistoon rahoitusta neljälle16.5.2022 12:03:00 EEST | Tiedote

Suomen Akatemia on myöntänyt akatemiatutkijan rahoituksen Kalle Auraselle ja Riccardo Marinille Jyväskylän yliopiston matemaattis-luonnontieteelliseen tiedekuntaan. He saavat lähes 450 000 euron rahoituksen vuosille 2022–2027. Lisäksi toimikunta myönsi tiedekuntaan kaksi akatemian tutkijatohtorin rahoitusta Damian Dabrowskille ja Anton Nechaeville. Kolmivuotisen rahoituksen suuruus on noin 240 000–250 000 euroa.

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