Väitöstutkimuksessa yhdistettiin nanomagneetteja suprajohteisiin (Ojajärvi)

Suprajohtavuus on matalissa lämpötiloissa esiintyvä aineen olomuoto, jossa materiaalin sähkönvastus katoaa täysin. Ferromagnetismi puolestaan on olomuoto, jossa materiaalin alkeismagneetit, spinit, järjestäytyvät osoittamaan samaan suuntaan ja kappaleen ympärille syntyy magneettikenttä. Arkimittakaavassa nämä kaksi olomuotoa vastustavat toisiaan, ja lopputuloksena magnetismi usein tukahduttaa suprajohtavuuden.

Nanokoon laitteissa tilanne ei kuitenkaan ole näin yksinkertainen, sillä niin sanotut lähivaikutukset nousevat merkittävään rooliin: ohutkalvorakenteissa magnetismi “vuotaa” materiaalien välisen rajapinnan läpi suprajohteeseen ja suprajohde saa uudenlaisia magneettisia ominaisuuksia.

“Syntyvä materiaali on ikään kuin kahden olomuodon yhdistelmä, yhtä aikaa suprajohde ja magneetti”, Ojajärvi kertoo. Erityisen kiinnostavaksi tämän yhdistelmän tekee se, että sen läpi voidaan kuljettaa tavanomaisen sähkövirran lisäksi elektronien spineistä koostuvaa virtaa, jolla on suprajohtavia ominaisuuksia. Yhdessä yhdeksästä väitöskirjaan sisältyvästä tutkimusartikkelistaan Ojajärvi näytti, kuinka tämä niin sanottu spin-supravirta vaikuttaa rakenteen magneettisiin ominaisuuksiin ja millaisia kokeellisia sormenjälkiä siitä jää.

Väitöskirjassa käsiteltiin myös eksoottisilla laakeilla elektronivöillä eli tasovöillä ilmenevää suprajohtavuutta ja magnetismia. Tasovyöt nousivat fysiikan tutkimuksen keskiöön vuonna 2018, kun Massachusetts Institute of Technologyn tutkijat havaitsivat kokeissaan, että grafeenissa, kaksiulotteisessa hiilimateriaalissa, saadaan aikaan suprajohtavuus, kun sen päälle asetetaan toinen grafeenitaso yhden asteen verran kierrettynä. Tällä kiertokulmalla grafeenin elektronivyöt litistyvät toisiaan vasten tasovöiksi ja elektronien välisten vuorovaikutusten merkitys kasvaa. Väitöskirjaan sisältyvän tutkimuksen perusteella havaittu suprajohtavuus on mahdollista ymmärtää yhdistämällä suprajohtavuuden perinteinen elektronien ja fononien väliseen vuorovaikutukseen perustuva teoria tasovöiden erityispiirteisiin.

Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksessa toteutettua väitöskirjaprojektia on tukenut Jenny ja Antti Wihurin rahasto.

Väitöskirja on julkaistu Jyväskylän yliopiston väitöstutkimusten JYU Dissertations-sarjassa, numero 500, Jyväskylä 2022. ISBN 978-951-39-9060-2 (PDF), URN:ISBN:978-951-39-9060-2, ISSN 2489-9003. Julkaisu on luettavissa osoitteessa http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-39-9060-2

FM Risto Ojajärven väitöskirjan "Competition and interplay between magnetism and superconductivity" tarkastustilaisuus pidetään 8.4.2022 Jyväskylän yliopistossa salissa YAA303 alkaen klo 12. Vastaväittäjänä on professori Daniel Loss (Universität Basel, Sveitsi) ja kustoksena professori Tero Heikkilä Jyväskylän yliopistosta. Väitöstilaisuuden kieli on englanti.

Taustatietoja:

Risto Ojajärvi on kirjoittanut ylioppilaaksi Alajärven lukiosta 2006 ja filosofian maisteriksi Jyväskylän yliopistosta 2016 pääaineenaan teoreettinen fysiikka. Hän on myös valmistunut kuvataiteilijaksi Lahden ammattikorkeakoulun taideinstituutista vuonna 2014.