Nobelistin ennustama uudenlainen kvanttispinneste valmistettiin ensimmäistä kertaa
Fysiikan nobelisti Paul W. Anderson esitti vuonna 1987 korkean lämpötilan suprajohtavuuden eli sähkövastuksen katoamisen liittyvän eksoottiseen kvanttitilaan, jota nykyään kutsutaan kvanttispinnesteeksi. Magneettiset materiaalit koostuvat hyvin pienistä magneeteista, pienimmillään yksittäisistä elektroneista, ja niiden voimakkuutta ja suuntaa kuvaa magneettinen momentti. Kvanttispinnesteissä magneettiset momentit käyttäytyvät nesteen tavoin eivätkä jähmety tai järjestäydy edes absoluuttisessa nollapisteessä. Näitä kvanttitiloja tutkitaan lupaavina materiaaleina uudenlaisiin niin kutsuttuihin topologisiin kvanttitietokoneisiin, joiden toiminta perustuu hiukkasmaisiin viritystiloihin, joita on kvanttispinnesteissä. Topologisen kvanttitietokoneen erityispiirteenä on suuren laskentatehon lisäksi korkea virheensietokyky, joka mahdollistaa tietokoneen koon kasvattamisen. Topologisiin kvanttitietokoneisiin soveltuvia kvanttispinnesteitä tunnetaan kuitenkin vain muutamia.
Aallossa kehitetty tapa muokata materiaalien magnetismia mahdollisti uuden kvanttispinnesteen valmistamisen
Nyt Aalto-yliopiston, Brazilian Center for Research in Physicsin (CBPF), Braunschweigin teknillisen yliopiston ja Nagoyan yliopiston tutkijat ovat valmistaneet ensimmäistä kertaa Andersonin ennustaman suprajohteenkaltaisen kvanttispinnesteen. Tämä on tärkeä askel suprajohteiden ja kvanttimateriaalien ymmärtämisessä. Kvanttispinnesteen valmistamisen mahdollisti Aallon kemistien kehittämä uusi tapa räätälöidä magneettisten materiaalien ominaisuuksia. Tutkimuksen tulokset on julkaistu -julkaisussa.
Korkean lämpötilan suprajohteet ovat kuparioksideja, joissa kupari-ionit muodostavat neliörakenteen siten, että vierekkäiset magneettiset momentit osoittavat vastakkaisiin suuntiin. Kun tätä rakennetta häiritään muuttamalla kuparin hapetusastetta, materiaali muuttuu suprajohtavaksi. Nyt julkaistussa uudessa tutkimuksessa tällaisen neliörakenteen magneettisia vuorovaikutuksia muokattiin d10 ja d0 elektronirakenteen ioneilla, jolloin materiaali muuttui kvanttispinnesteeksi.
”Tätä uutta d10/d0 -menetelmää voidaan jatkossa hyödyntää monissa muissakin magneettisissa materiaaleissa mukaan lukien erilaiset kvanttimateriaalit”, visioi Aalto-yliopiston tohtorikoulutettava Otto Mustonen.
Saumatonta yhteistyötä
Kvanttispinnesteiden kokeellinen havaitseminen on hankalaa ja vaatii mittavaa tutkimusinfrastruktuuria.
”Hyödynsimme tutkimuksessa muon spin -spektroskopiaa, joka perustuu hyvin lyhytikäisten elektroninkaltaisten alkeishiukkasten eli myonien vuorovaikutukseen tutkittavan materiaalin kanssa. Menetelmällä voidaan havaita kvanttimateriaalien erittäin heikkoja magneettikenttiä”, kertoo Braunschweigin teknillisen yliopiston professori F. Jochen Litterst. Mittaukset suoritettiin Paul Scherrer Instituutissa Sveitsissä.
Tutkimuksessa käytetty muon spin -spektrometri Paul Scherrer Instituutissa Sveitsissä. Tutkittava näyte asetetaan keskellä sijaitsevaan kryostaattiin, ja myonisuihku ohjataan siihen takavasemmalta. Kuva: Otto Mustonen
”Huippuoluokan tutkimuslaitteiden lisäksi tutkimus vaatii myös kemistien ja fyysikoiden välistä saumatonta yhteistyötä”, painottaa Aalto-professori Maarit Karppinen. ”Samanlaista kansainvälistä monitieteistä lähestymistapaa tarvitaan jatkossakin, jotta nyt vauhtia saanut kvanttispinnesteiden tutkimus johtaisi meidät topologisen kvanttitietokoneen jäljille.”
äپٴᲹ:
Otto Mustonen
otto.mustonen@aalto.fi
Aalto-professori Maarit Karppinen
maarit.karppinen@aalto.fi
p. 050 384 1726
Artikkeli:
O. Mustonen, S. Vasala, E. Sadrollahi, K. P. Schmidt, C. Baines, H. C. Walker, I. Terasaki, F. J. Litterst, E. Baggio-Saitovitch & M. Karppinen, Spin-liquid-like state in a spin-1/2 square-lattice antiferromagnet perovskite induced by d10–d0 cation mixing, Nature Communications volume 9, Article number: 1085 (2018)
DOI:10.1038/s41467-018-03435-1
Lue lisää uutisia
Muotoilun rooli korostuu toimitusketjun alkupäässä – Aalto-yliopisto johtaa merkittävää EU-hanketta tekstiilien värjäyskäytäntöjen uudistamiseksi
EU Horisontti-rahoitteinen MELANGE-hanke yhdistää muotoilun, teknologian ja liiketoiminnan – tavoitteena on uudistaa tekstiiliteollisuuden värjäyskäytäntöjä sekä vauhdittaa siirtymää kohti kiertotalouteen perustuvia ja kestäviä tekstiilijärjestelmiä.
Arsi Ikäheimosen väitöstutkimus: Älypuhelin voi paljastaa varhaisia merkkejä masennuksesta
Puhelin taskussa, älysormus sormessa ja aktiivisuusranneke ranteessa: arjessa mukana kulkevat laitteet keräävät lähes tauotta tietoa käyttäjästään. Tämä tieto voi auttaa masennusoireiden seurannassa ja ennustamisessa.
Professor Hironori Yoshida: “Machines should adapt to materials, not the other way around”
Professor of Formgiving believes the future of design lies in embracing irregularity rather than eliminating it. His research combines design, AI and robotics.