Kvanttimateriaalit ovat aineita, joiden ominaisuudet määräytyvät ensisijaisesti kvanttimekaniikan periaatteiden mukaan.

Kvanttimekaniikka syntyi 1900-luvun alussa, kun perinteinen klassinen fysiikka (Newtonin mekaniikka, Maxwellin sähkömagnetismi ja termodynamiikka) ei pystynyt selittämään uusia, paljon aiempaa tarkempia havaintoja aineen ja energian olemuksesta. Niin sanottu mustan kappaleen säteily, valon ymmärtäminen aaltoina ja hiukkasina sekä atomin olemuksen hahmottaminen johtivat kummallisiin, arkijärjellä ajatellen jopa ristiriitaisiin ajatuksiin.

Kvanttifysiikassa fysikaaliset suureet, kuten energia, käsitetään pienenpieninä määrinä, kvantteina. Esimerkiksi atomin energia ei voi olla mitä vain, vaan ainoastaan tiettyjä tasoja. Valoaallotkin ovat kvantittuneita, koostuvat fotoneista, pienistä energiahitusista.

Jännintä kvanttifysiikassa on kuitenkin se, että tarkka laskenta muuttuu todennäköisyyslaskennaksi. Se, mitä todella tapahtuu, ei ole täysin selvää, ja hiukkaset voivat olla useassa tilassa yhtä aikaa. Filosofisesti sanottuna todellisuus on aina hunnun takana – mutta epäselvyyttä ja omituisuutta voi käyttää myös hyväksi.

Esimerkiksi jotkut materiaalit toimivat kvanttifysiikan lakien mukaan myös makroskooppisessa mittakaavassa. Näitä kutsutaan kvanttimateriaaleiksi. Niitä ovat mm. suprajohtimet, topologiset eristeet, kvanttimagneetit ja kaksiulotteiset materiaalit kuten grafeeni.

Niillä on epätavallisia sählöisiä, optisia ja magneettisia ominaituuksia, jotka tekevät niistä paitsi teoreettisesti kiinnostavia, niin myös mahdollisesti mullistavia teknisesti. Kvanttimateriaaleja voidaan käyttää esimerkiksi kvanttitietokoneissa, uudenlaisessa elektroniikassa ja energiatehokkaissa järjestelmissä.

Kvanttimateriaalien tyyppejä

Suprajohteet

Suprajohteet johtavat sähköä ilman vastusta, kun lämpötila laskee alle kriittisen lämpötilan. Tässä tilassa elektronit muodostavat niin sanottuja Cooperin pareja ja liikkuvat materiaalissa ilman energiahäviötä. Suprajohtimia käytetään esimerkiksi lääketieteellisessä kuvantamisessa (MRI-laitteet), hiukkaskiihdyttimissä ja magneettilevitaatiojunissa.

Ne ovat myös olennaisessa osassa kvanttitietokoneissa, koska niiden kubititeiksi kutsutut laskentayksiköt, rakennuspalikat, pitää jäähdyttää lähelle absoluuttista nollapistettä, jotta ne muuttuvat suprajohteiksi. Silloin ne voivat hyödyntää superpositiota ja sotkeutumista, minkä lisäksi lämpökohina on silloin pienempää.

Nykyisen tutkimuksen tärkeä tavoite on nostaa suprajohtavuuden käyttölämpötilaa kohti huoneenlämpöä. Nyt suprajohteet täytyy jäähdyttää lähelle absoluuttista nollapistettä. QMATissa pyritään ymmärtämään paremmin suprajohtavuuden mekanismeja, mikä auttaa löytämään uusia, käyttökelpoisempia suprajohteita.

Topologiset eristeet

Topologisissa eristeissä pinnalla olevat elektronit voivat liikkua vapaasti, mutta niiden sisäosat käyttäytyvät kuten normaalit eristeet. Sähkö kulkee pinnalla, mutta ei niiden sisällä.

Pinnan atomirakenteen tilat ovat kvanttimekaanisesti suojattuja, minkä ansiosta ne kestävät hyvin epäpuhtauksia ja vikoja. Topologiset eristeet ovat siksi lupaavia materiaaleja käytettäväksi vähävirtaisessa elektroniikassa, kvanttitietokoneissa ja ns. spintronisissa laitteissa, jotka hyödyntävät elektronin spiniä eli sisäistä pyörimisliikettä, siihen liittyvää magneettimomenttia ja valon polarisaatiota esimerkiksi informaation tallentamiseen, käsittelyyn ja siirtämiseen.

Kvanttispin-nesteet

Normaalissa magneettisessa materiaalissa elektronien spinit eli magneettiset momentit asettuvat matalissa lämpötiloissa järjestykseen. Ne järjestyvät kaikki tiettyyn suuntaan.

Kvanttispin-nesteissä nämä elektronien magneettiset momentit pysyvät epäjärjestyneessä tilassa, jopa äärimmäisen alhaisissa lämpötiloissa. Magneettisista momenteista muodostuu voimakkaasti kietoutunut tila, mitä voidaan käyttää hyväksi erilaisissa sovelluksissa. Jännin sovellus tässäkin ovat kvanttitietokoneet.

Kaksiulotteiset kvanttimateriaalit

Kaksiulotteisuudella tarkoitetaan tilaa, missä kappaleella ei ole lainkaan paksuutta, mutta käytännössä kaksiulotteisillakin materiaaleilla on paksuus – tosin hyvin, hyvin pieni. Ne koostuvat yhdestä tai muutamasta atomikerroksesta. Niiden paksuus on tyypillisesti alle 1–5 nanometriä, mikä tekee niistä käytännössä “tasomaisia”.

Nämä materiaalit ovat erityisen kiinnostavia, koska niiden elektroniset, optiset ja mekaaniset ominaisuudet poikkeavat radikaalisti kolmiulotteisista vastineistaan.

Tällaisia ovat esimerkiksi grafeeni ja siirtymämetallidikalkogeenit (esim. molybdeeni, volframi tai niobium, jotka ovat yhdessä vaikkapa rikin, seleenin tai telluurin kanssa). Näillä on erityisen hyvä sähkönjohtokyky, kiinnostavia optisia ominaisuuksia ja ne ovat kestäviä, ja niitä voidaan käyttää muun muassa ultranopeassa elektroniikassa, valokennoissa, taivuteltavissa laitteissa, erilaisissa antureissa ja energian varastointiin.

Tulevaisuuden näkymät

Kvanttimateriaalien tutkimus on voimakkaasti kehittyvä ala, jolla on paljon potentiaalia jopa mullistaviksi uusiksi sovelluksiksi. Edistysaskeleet materiaalisynteesissä, nanoteknologiassa, laskennallisessa mallintamisessa ja uusissa teoreettisissa läpimurroissa kiihdyttävät osaltaan tutkimusta ja tuovat vähitellen käytännön sovelluksia.

QMATin tavoitteena on luoda perustutkimuksellinen perusta uuden sukupolven hybridikvanttimateriaaleille ja niiden käytölle uusissa laitteissa.

Apunamme tässä on laaja teoreettinen tietämys, koneoppiminen sekä uusien materiaalien valmistus- ja tutkimustapojen kehittäminen. Kvanttimateriaalien huippuyksikössä ovat mukana Suomen parhaat alan teoreettiset ja soveltavat tutkimusryhmät.