Tiede

Päivi Törmä tekee valoaaltoja pienempiä valonlähteitä

Nanotutkija perehtyy ilmiöön, jota tietämättään sovelsivat jo kirkkojen lasimaalausten luojat satoja vuosia sitten.

Fyysikko Päivi Törmä haaveili nuorena romaanien kirjoittamisesta eikä ajatellut olevansa mikään Einstein.

Romaanien kirjoittaminen jäi. Nyt Törmä tekee kvanttimekaniikan tutkimuksia, jotka kuulostavat tieteiskirjallisuudelta.

Hän pohtii ensinnäkin teo­riaa suprajohtavuudesta. Fyysikot haaveilevat huoneenlämmössä toimivista suprajohteista, jotka mullistaisivat sähkönsiirron.

”Toinen tavoitteemme on tehdä nanomittakaavan valonlähteitä, jotka käyttäytyvät kuin laser”, Törmä sanoo. Ne toimisivat valon normaalia aallonpituutta pienemmässä tilassa!

Törmä johtaa laskennallisen nanotieteen huippuyksikköä Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulussa. Vuoden alussa hänestä tulee akatemia­professori.

Nanomittakaavan valonlähteet ovat jo edistyneet. Törmän ryhmä tutkii, miten valo vangitaan nanokokoisen metallinpalasen pinnalle.

”Metallinpalanen on kuin pieni antenni”, Törmä kuvailee.

Valo jää metallille, koska palasen toinen pää on positiivisesti ja toinen negatiivisesti varattu. Metallinpalasen koko määrää aallonpituuden, joka määrää säteilevän valon värin. Ilmiötä on sovellettu itse asiassa kauan:

”Kirkkojen lasimaalauksien värit riippuvat laseissa olevien metallihiukkasten koosta. Pienet lähettävät sinisempää ja isommat punaisempaa valoa.”

Törmän ryhmä järjestää valoa säteilevät kultaiset ja hopeiset hiukkaset lasialustalle siististi elektronisuihkun avulla.

”Kentät ovat todella voimakkaita, ja valo vuorovaikuttaa valoa säteilevien molekyylien kanssa voimakkaasti. Siksi laitteet toimivat tehokkaasti.”

”En lupaile vielä sovelluksia. Käyttöä voisi olla jossakin mikroskooppisessa biologisessa systeemissä, jossa tarvitaan valoa. Kun edetään uudelle alueelle, keksinnöille löytyy yleensä käyttöä. Kun esimerkiksi valoa vahvistettiin valokaapeleissa erbiumilla, ei ennakoitu internetiä. Haluttiin vain, että valo kulkisi tehokkaammin.”

”Mahtavan suuri tavoite on saada suprajohtavuus toimimaan lämpimässä,” Törmä innostuu.

Törmä ja Aallon tohtoritutkija Sebastiano Peotta esittivät Nature Communications -lehdessä siitä oman teoriansa.

”On puuttunut teoria, jonka pohjalta tällaisia suprajohteita voitaisiin suunnitella. Löytömme osoittaa, miten suprajohteet ehkä saadaan toimimaan normaaleissa lämpötiloissa.”

Suprajohtavuus tarkoittaa, että materiaali johtaa sähköä vastuksetta. Ilmiö on tunnettu sata vuotta. Suprajohteiden yleistymistä hidastaa se, että ne toimivat yli 100–200 asteen pakkasessa ja jäähdytys on hankalaa.

Suprajohtavia sähkömagneetteja on esimerkiksi aivokuvauslaitteissa.

”Suprajohteita voitaisiin käyttää tiedonsiirrossa. Esimerkiksi tietokoneet kuumenevat käytössä sähkönvastuksen takia.”

Törmän ja Peottan teoria on maallikolle haastava. Sen mukaan suprajohtavuus toteutuu lämpimässä, jos elektronit ovat ”sopivasti lomittain” kimpassa.

Tiedetään, että suprajohtavuus toteutuu, kun elektronit muodostavat aineessa löyhiä niin sanottuja Cooperin pareja. Niissä elektronit ovat lomittain, jolloin kaksi hiukkasta käyttäytyy kuin yksi. Riittävän kylmässä elektroniparit pystyvät muodostumaan. Sitten ne kiitävät aineessa törmäilemättä supranopeasti.

”Meidän teoriassamme suprajohtavuus toteutuu lämpimässä, jos yksittäiset elektronit eivät liiku”, Törmä yllättää. Mutta eikö sähkö ole elektronien liikettä?

”Elektroneja ei pidä ajatella tässä hiukkasina vaan aaltofunktioina. Ne pitää ajatella ikään kuin pilvinä, jotka menevät toistensa päälle”, Törmä tarkentaa.

Selitys on mystistä matematiikkaa, mutta Zürichin yliopiston fyysikot suunnittelevat testaavansa sitä. Suprajohteen mate­riaali voisi olla grafeeni.

”Joissakin nykyisissä korkean lämpötilan suprajohteissa voi olla tämä mekanismi taustalla.”

Törmä yrittää entisenä kirjailijan alkuna selkeyttää fysiikkaa.

”Minua kiinnostaa hahmottaa maailmaa yksinkertaisten käsitteiden kautta. Fysiikassa oli mielenkiintoisia, arkiajattelusta poikkeavia käsitteitä.”

Törmä sanoo heittäneensä pois romaanien alkuja vanhan läppärin mukana. ”Onneksi vanhimmat ovat paperilla.”

Hän myöntää, että verrattuna romaanien aineksiin fysiikka on sentään aika helppoa: ”Fysiikassa voi ongelmasta aina tehdä yksinkertaistetun mallin ja testata sitä, ihmissuhteissa en välttämättä suosittelisi samaa.”

Korjaus 29. elokuuta: Poistettu maininta, että Shanghaissa maglev-juna toimisi suprajohtavilla magneeteilla. Se toimii saksalaisella Transrapid-tekniikalla.

Päivi Törmä

 Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulun professori. Akatemiaprofessori vuoden 2017 alusta.

 Johtaa laskennallisen nanotieteen huippuyksikköä Espoon Otaniemessä.

 Johti Jyväskylässä nanotieteiden tutkimuskeskusta.

 Opiskellut fysiikkaa Oulussa, väitteli Helsingin yliopistossa kvantti-informaatiosta ja kvanttioptiikasta.

 Valmistui maisteriksi myös Cambridgesta. Post doc -opintoja Ulmissa Saksassa ja Innsbruckissa Itävallassa.

 Syntynyt vuonna 1969 Nivalassa, 46-vuotias. Harrastaa sulkapalloilua ja juoksemista.

 Puoliso, fyysikko Gheorghe-Sorin Paraoanu tutkii kvanttitietokoneita Aalto-yliopistossa.

 ”Tärkein valinta elämässä on, päättääkö tulla viisaaksi vai katkeraksi.”

    Seuraa uutisia tästä aiheesta

  • Tiede
  • Fysiikka
  • Matti Mielonen

Kommentit

    Ei vielä kommentteja. Kirjoita ensimmäinen.

    Näytä lisää
    Luetuimmat
    1. 1

      Nuori lääketieteen nero Helsingin Tammisalosta keksi aivoporan – pääsi huippukirurgin ryhmään heti opintojen alussa

    2. 2

      Pohjoiskorealaisella riisipellolla seisoo suomalaisten veronmaksajien kustantama paperitehdas – Näin Kimien diktatuuri vedätti Suomelta kymmeniä miljoonia euroja

    3. 3

      Kaksi nuorta miestä asteli portaille, keskusteli hetken ja löi sitten itseään puukolla vatsaan, kertoo Eduskunnan turvallisuusjohtaja

    4. 4

      Kaksi kolmesta suomalaisesta jää asumaan kotiseudulleen, mutta Helsingissä pysyy vain puolet – Kartta näyttää, mistä suomalaiset karkaavat ja minne he jäävät

    5. 5

      Kymmenet papit julistavat kasvoillaan vihkivänsä homoja, lesboja ja muunsukupuolisia, Helsingistä mukana kokonainen seurakunta – ”Tämä on eräänlainen kaapistatulo”

    6. 6

      ”Enkelihoito voi johtaa ojasta allikkoon” – Yhä useampi haluaa hoitaa mieltään, mutta epämääräiset pikaterapiat harmittavat psykologeja

    7. 7

      Maailmanloppu tulee lauantaina, kun mysteeriplaneetta iskeytyy Maahan, selittää amerikka­lainen profeetta – Voiko aurinko­kunnassamme piileskellä tuntematon planeetta?

    8. 8

      Helsingissä on jopa 12-vuotiaita seksinmyyjiä – Alaikäisten seksikaupasta ei juuri hiiskuta, mutta ilmiö on tuttu nuorten kanssa työskenteleville

    9. 9

      Länsimetro oy pitää metroa valmiina ja haluaisi luovuttaa sen pois käsistään – HKL:n mukaan metrossa on vielä ”paljon petrattavaa”

    10. 10

      Facebookin isoin suomenkielinen feminismiryhmä kielsi islam- ja muslimiaiheiset keskustelut – Nyt ryhmän perustajat kertovat, miksi

    11. Näytä lisää
    1. 1

      Kaksi nuorta miestä asteli portaille, keskusteli hetken ja löi sitten itseään puukolla vatsaan, kertoo Eduskunnan turvallisuusjohtaja

    2. 2

      Heti ensimmäinen yhteydenotto te-toimistosta oli uhkauskirje – Työttömiä kohdellaan kuin rikollisia

    3. 3

      Nuori lääketieteen nero Helsingin Tammisalosta keksi aivoporan – pääsi huippukirurgin ryhmään heti opintojen alussa

    4. 4

      Pohjoiskorealaisella riisipellolla seisoo suomalaisten veronmaksajien kustantama paperitehdas – Näin Kimien diktatuuri vedätti Suomelta kymmeniä miljoonia euroja

    5. 5

      25-vuotias ruotsalainen soluttautui vuodeksi USA:n ”maltillisen” äärioikeiston sisäpiiriin ja kuuli liikkeen johtajalta tavoitteet: ”Tämä päättyy keskitysleireihin ja Hitlerin kunnianpalautukseen”

    6. 6

      Helsingissä on jopa 12-vuotiaita seksinmyyjiä – Alaikäisten seksikaupasta ei juuri hiiskuta, mutta ilmiö on tuttu nuorten kanssa työskenteleville

    7. 7

      Facebookin isoin suomenkielinen feminismiryhmä kielsi islam- ja muslimiaiheiset keskustelut – Nyt ryhmän perustajat kertovat, miksi

    8. 8

      Kymmenet papit julistavat kasvoillaan vihkivänsä homoja, lesboja ja muunsukupuolisia, Helsingistä mukana kokonainen seurakunta – ”Tämä on eräänlainen kaapistatulo”

    9. 9

      Helsingin poliisin raiskaustilastoissa toistuu tuttu tarina – HS:n kokoama kartta näyttää, mihin kaupunginosiin raiskaukset keskittyvät

    10. 10

      Ahvenanmaan edustaja äänesti suomen kieltä vastaan Pohjoismaiden neuvostossa – ”Emme pystyneet edes kuvittelemaan, että hän kääntyisi Suomen aloitetta vastaan”

    11. Näytä lisää
    1. 1

      Yksinkertaiset aivoharjoitukset mullistivat lasten käytöksen – arvosanat nousivat, keskittyminen helpottui ja nukkuminen parani

    2. 2

      Tässäkö Helsingin seudun kammotuin työpaikka? Palkka 7 500 euroa kuussa, mutta hakijoita ei näy

    3. 3

      ”Meidän on nyt mentävä”, sanoi poika ja joi myrkyn siskojensa kanssa – Kiinan ”hylättyjen lasten kaupunki” on täynnä lohduttomia tarinoita

    4. 4

      Päiväkoti irtisanoi lapsen Lauttasaaressa

    5. 5

      Jos olet ollut lapsi 1990-luvulla, syönyt, leikkinyt, pukeutunut, käynyt koulua tai viettänyt synttäreitä, teit näitä asioita

    6. 6

      Helsingin poliisin raiskaustilastoissa toistuu tuttu tarina – HS:n kokoama kartta näyttää, mihin kaupunginosiin raiskaukset keskittyvät

    7. 7

      Bussikaaos jatkuu myös iltapäivällä pääkaupunki­seudulla – Nobinan lakko vaikuttaa 200 000 ihmisen liikkumiseen

    8. 8

      Mies kaatoi pastakattilan lattialle Punavuoressa – alkoi riita, jonka seurauksena taloyhtiö vaatii mieheltä 30 000 euron korvauksia

    9. 9

      ”Kyseessä on pahanlaatuinen kasvain” – Suomalaisnainen sai musertavan syöpäuutisen postitse kotiin ja luki sattumalta potilastiedoistaan, ettei voi parantua

    10. 10

      Olen ollut alle kaksi viikkoa työttömänä, mutta työnhakuni lakkasi jo – te-palvelun kikkailu tekee työttömäksi ilmoittautumisesta sietämättömän vaikeaa

    11. Näytä lisää
    Uusimmat
    1. Juuri nyt
    2. Maailmanloppu tulee lauantaina, kun mysteeriplaneetta iskeytyy Maahan, selittää amerikka­lainen profeetta – Voiko aurinko­kunnassamme piileskellä tuntematon planeetta?
    3. Miss Turkki joutui luopumaan kruunustaan – syynä tviitti, jossa voittaja kertoi juhlivansa vallankaappausyrityksen uhreja vuotamalla kuukautisverta
    4. Triathlonisti Kaisa Salilta yllättävä paljastus – pudottaa painoaan kauden tärkeimpiin kilpailuihin: ”En muulloinkaan syö mitä sattuu”
    5. Päästöskandaali ja kartelliepäilyt ravistelevat Saksan autoteollisuutta – HS haastatteli Daimlerin pääjohtajaa ja kysyi, miksi meidän pitäisi uskoa autonvalmistajien lupauksia
    6. Intia käyttää paprikasumutetta ja tainnutuskranaatteja estääkseen rohingya-muslimien pääsyn rajan yli
    7. Tunti sitten
    8. Migrin mukaan turvapaikanhakijoiden itsemurhayritykset ovat harvinaisia – ”Usein on kyse enemmänkin mielenosoittamisesta”
    9. Nord Stream 2 jätti lupahakemukset Suomen viranomaisille – Itämeren uuden kaasuputken on määrä olla valmis vuoden 2019 lopussa
    10. Brexit-todellisuus on pehmittänyt Theresa Mayta, mutta yksityiskohdat ovat yhä kadoksissa – Miten Britanniassa asuvien EU-kansalaisten oikeudet tulevaisuudessa taataan?
    11. Pohjoiskorealaisella riisipellolla seisoo suomalaisten veronmaksajien kustantama paperitehdas – Näin Kimien diktatuuri vedätti Suomelta kymmeniä miljoonia euroja
    12. Jaakko Hissa tapasi Pohjois-Korean ”Suuren johtajan” kaksi kertaa ja huomasi oudon muodonmuutoksen: ”Valkoinen puku, sikari kädessä, kuin keskiamerikkalainen porho”
    13. Näytä lisää