aalto-yliopisto

Video: Saisiko olla superkylmää kvanttifysiikkaa nanojääkaapissa?

Kvanttitietokoneeseen tarvitaan nanojääkaappi. Sellaisen tekemiseen ja paljon muuta nanotekniikkaan ja kvanttifysiikkaan liittyvää tutkimusta tehdään Aalto-yliopistossa akatemiaprofessori Jukka Pekolan tutkimusryhmässä.


Akatemiaprofessori Jukka Pekola Aalto-yliopistosta on puuhannut koko ikänsä lähellä absoluuttista nollapistettä, koska siellä tapahtuu kaikenlaista kiinnostavaa. Luonnonlait eivät heitä kärrynpyörää, mutta lait ovat erilaisia kuin arkisessa maailmassamme.

Siellä toimivat suprajohteet, eli materiaalit, joissa sähkövirta kulkee ilman olennaista vastusta. Ja siellä tapahtuu kvanttimekaanisia ilmiöitä: esimerkiksi systeemit voi olla samaan aikaan kahdessa eri tilassa, tai että toisistaan erilliset kvanttisysteemit voivat kytkeytyä toisiinsa. Siis vähän sama kuin nanokokoinen auto voisi olla samaan aikaan punainen ja sininen, ja yhden auton ratin kääntäminen saisi toisen auton kääntymään samanaikaisesti sadan kilometrin päässä.

"Kun aikaisemmin vain tutkimme näitä ilmiöitä, niin nyt olemme jo toisessa vaiheessa, missä käytämme hyväksi aitoja kvanttimekaanisia ilmiöitä", iloitsee Pekola ja ennustaa, että tällä alalla on tulossa paljon läpimurtoja lähivuosina – myös Suomessa, mutta tästä lisää myöhemmin.

Suomi on kylmä maa

Suomessa on pitkät perinteet hyvin kylmän ja siellä tapahtuvien ilmiöiden tutkimuksessa. Professori Olli Lounasmaa, suomalaisen fysiikan eräs suuruuksista, nosti silloisen TKK:n Kylmälaboratorion maailman huipulle ja onnistui tekemään useita kylmyysennätyksiä, eli jäähdyttämään laitteitaan erittäin lähelle absoluuttista nollapistettä.

Absoluuttinen nollapiste −273,15°C on kylmin mahdollinen lämpötila, koska silloin atomienkin liike jähmettyy paikalleen. Fyysikot alkavat lämpötilojen laskun tuosta pisteestä, eli nollasta Kelvinistä (0 K). Kylmyysennätys on edelleen Espoossa. Vuonna 2000 siellä saavutettiin lämpötila, joka oli vain 0,000 000 000 1° nollan yläpuolella.

Samaan aikaan kuitenkin Suomessa oli toinen kylmäfysiikan tutkimusryhmä, Jyväskylässä, ja Pekola oli siellä.

"Olen opiskellut ja aloittanut työni täällä Otaniemessä Olli Lounasmaan ryhmässä", kertoo Pekola. "Olin ensin 1980-luvun alussa diplomityöntekijänä ja sitten väitöskirjatutkijana. Aiheenani olivat ultramatalat lämpötilat, eli käytimme Helium-3 -nestettä ja tutkimme suprajohtavuutta siellä. Tämä oli tuolloin tärkeä tutkimusala ja tästä myönnettiin myös Nobelin fysiikan palkinto vuonna 1996."

1990-luvun alkupuolella kiinnostus suuntautui laajemmin matalien lämpötilojen tutkimukseen. Siellä esimerkiksi lämpöliike pienenee ja siksi siellä tapahtuu paljon jänniä kvantti-ilmiöitä, joiden ymmärrettiin tarjoavan paljon mahdollisuuksia uudenlaisille mikro- ja nanovalmistustekniikoille.

"Suomalainen Mikko Paalanen oli ollut tuolloin tutkimassa näitä asioita Yhdysvalloissa kuuluisassa Bell-laboratoriossa, ja hän oli tulossa Suomeen. Hän sai professuurin Jyväskylän yliopistosta, missä haluttiin panostaa kylmä- ja nanotutkimukseen. Hän rekrytoi minut ryhmäänsä, joten lähdin Jyväskylään."

Pekola kertoo, miten he saivat tutkia Jyväskylässä muun muassa ensimmäisinä Suomessa yhden elektronin ilmiöitä, jäähdyttimiä, lämpömittareita. Ryhmästä tuli nanoelektroniikan ja nanofysiikan pioneereja Suomessa.

"Lämpömittarin kehittäminen oli ensimmäinen suuri innostukseni. Meillä oli kova halu tehdä yhden elektronin transistoreita, eli sellaisia mitä nyt tehdään täällä meidänkin laboratoriossa nyt ihan vasemmalla kädellä. Emme kuitenkaan onnistuneet siinä Jyväskylän yksinkertaisessa laboratoriossamme, mutta saimme tehtyä lämpömittarin. Se on vähän kuin köyhän miehen transistori, jossa on vain yksi elektroni. Nyt sellaisia käytetään nyt monissa paikoissa, koska se ei vaadi minkäänlaista kalibrointia."

Vuonna 2002 jo professoriksi edenneelle Pekolalle tarjottiin mahdollisuutta perustaa Aaltoon oma tutkimusryhmä, joten hän päätti palata Otaniemeen. Nyt hän johtaa Pico-nimistä ryhmää, joka jatkaa elektronien ja hyvin matalien lämpötilojen kanssa. Nykyisin tosin perustutkimuksen ohella superpakkasesta ja sen ilmiöistä koetetaan tehdä tylsää arkitekniikkaa.

Yksi hankkeista on nanojääkaappi. Se ei ole vielä lähelläkään arkikäyttöä, mutta sillä tai sen avulla kehitettävällä tekniikalla voisi olla paljon sovelluksia. Esimerkiksi kiihkeän kehityksen kohteena oleva kvanttilaskenta vaatii superkylmää ympäristöä, ja jos siitä joskus tulee tavallista, se vaatii sitä, että lähellä absoluuttista nollaa olevia lämpötiloja on joka puolella – ei vain tutkimuslaitoksissa.

Tunneloitumistemppu, ja miten se tehdään

"Tämä nanojääkaappi lähti liikkeelle ihan perustutkimuksesta. Olimme kiinnostuneita energian kuljetuksesta pienissä nanorakenteissa. Lämmönkuljetus on erittäin tärkeä asia jopa ihan tavallisissa mikropiireissä, joissa lämpö täytyy saada siirtymään ulos. Erityisen tärkeää tämä on kvanttilaitteissa, missä lämpö pitää saada siirtymään paikasta toiseen, jolloin voidaan tehdä täsmäjäähdytystä."

Yksinkertaistettuna nanojääkaappi toimii siten, että "siirrämme kappaleesta pois kaikkein kuumimpia elektroneja, jolloin se jäähtyy." Periaate on sama kuin kahvin jäähdyttäminen puhaltamalla: puhallus siirtää höyryä sivuun kahvikupista, jolloin kuumimmat kaasumolekyylit kahvin päällä lentävät pois ja viileämpiä atomeja jää jäljelle.

Tarkennusta kysyessä Pekola antaa suorat ohjeet nanojääkaapin tekemiseen; ihan kotioloissa sen nikkarointi ei kuitenkaan onnistu. "Teemme puhdastilassa monikerroksisia metallirakenteita nanomittakaavassa litografisesti. Ikään kuin piirrämme elektronimikroskoopilla kuvioita muovipintaan ja sitä voidaan käyttää maskina, kun pinnalle höyrystetään metallia. Tuloksena on noin kymmenen nanometrin, metrin miljardisosan kokoisia rakenteita. Kun tätä toistetaan monta kertaa päällekkäin eri metalleilla ja maskeina toiminut muovi lopulta poistetaan, saadaan haluttu kolmiulotteinen nanorakenne."

Metallien väliin voidaan myös laittaa eristekerroksia, joiden läpi sähkö kulkee ainoastaan tunneloitumalla. Tunneloituminen tarkoittaa sitä, että hiukkanen voi läpäistä potentiaalivallin, jonka ylittämiseen sillä ei klassisen fysiikan mukaan olisi riittävästi energiaa. Sähköstaattinen potentiaalivalli syntyy siitä, että materiaali tai sen ominaisuus vaihtuu.

"Jos käytetään hyvin tavallisia, tunnettuja materiaaleja kuten vaikkapa alumiinia tai kuparia, niin osa niistä muuttuu suprajohteiksi hyvin matalissa lämpötiloissa, toiset pysyvät tavallisina. Alumiini on suprajohde noin yhden kelvinin lämpötilassa ja kylmemmässä."

Suprajohtavassa materiaalissa sähkövirta kulkee käytännössä ilman vastusta, mutta lisäksi materiaaliin muodostuu niin sanottuja energia-aukkoja. Sen sisällä on elektronien kannalta kiellettyjä tiloja samalla tavalla kuin puolijohteissa on energia-aukkoja.

"Hiukkaset, jotka sattuvat osumaan energia-aukon kohdalle, eivät pääse tunneloitumaan, mutta ne, jotka ovat yläpuolella, pääsevät tunneloitumaan. Tämä saa aikaan sen, että energiaa siirtyy normaalimetallista suprajohteen puolelle."

Jääkaappien tekeminen on nykyisin varsin perustekniikkaa, ja siksi kiinnostavampaa onkin niiden variaatioiden ja sovellusten kehittäminen. Yksi näistä on kvanttitietokoneiden lämmönsiirtoon liittyvät ongelmat, jotka pitää ratkaista ennen kuin laitteet saadaan kunnolla käyttöön.

"Tämän suhteen meillä on varsin hullu ajatus käyttää tietokoneen perustana olevia laskentayksiköitä, kubitteja sinällään lämpövoimakoneina. Voisimme kontrolloida kubittien tilaa ulkoisesti ja tehdä siten niiden avulla perinteisistä jäähdyttimistä tuttuja monivaiheisia jäähdyttimiä. Mutta näidenkin kanssa ollaan vielä kaukana tuotteistamisesta – jäähdytys on kuitenkin tärkeä osa tutkimustamme."

Tuloksena myös jo arkitekniikkaa

"Yleensä ajatellaan, että kylmäfysiikka ja matalien lämpötilojen parissa puuhaaminen on jotain eksoottista puuhaa, mutta tästä on tullut jo ihan teollisuuttakin Suomessa", jatkaa Pekola. Hän mainitsee, että suomalaisyritys BlueFors Cryogenics Oy valmistaa muun muassa erittäin yksinkertaisesti käytettäviä jäähdyttimiä millikelvin-alueelle.

Kun perinteisesti kylmäfysiikan laboratorioissa on paljon nesteheliumpulloja, koska matala lämpötila saadaan aikaan nestemäisellä heliumilla, ei niitä enää tarvita. BlueForsin laitteissa on kompressori, joka kierrättää heliumia, jonka avulla saadaan aikaan perustoimintalämpötila.

 

"Se on iso muutos paitsi tutkimuksen, niin myös sovellusten kannalta, koska helium on kallista, pullojen käsittely on hankalaa ja nesteheliumin kanssa lotraaminen vaatii aina erikoisjärjestelyjä. Kun superkylmää saa aikaan töpselin seinään laittamalla, niin se on ollut pieni vallankumous. Nyt näitä laitteita käytetään joka puolella - ja tässä Suomi sekä Kylmälaboratorio ovat olleet tässä tiennäyttäjänä.

Seuraavaksi samaa tekniikkaa pitäisi soveltaa vielä erittäin haastaviin ja pieniin kohteisiin. Esimerkiksi avaruussovelluksissa tarvittaisiin jäähdytyslaitteita, jotka toimisivat sähköisesti, eikä niissä tarvittaisi suuria nesteheliumsäiliöitä. Niiden tulisi olla lisäksi avaruuden ja avaruuteen laukaisun olosuhteet kestäviä, helppokäyttöisiä ja kevyitä. Samoin muuallakin kuin kvanttilaskennassa tarvitaan hyvin pieniä jäähdyttimiä, jotka toimisivat yksinkertaisesti siten, että niihin liitetään jännite.

Eräs lupaava sovellusala on kvanttimekaaniset sensorit. Suomessa tehdään jo nyt paljon erilaisia sensoreita, ja kun tähän teollisen skaalan toimintaan yhdistetään osaaminen suprajohtavuudessa, kylmätekniikan tietotaito ja hyvä infrastruktuuri hankalien rakenteiden tekemiseen, voi Suomesta tulla kvanttimekaanisten sensorien tekemisessä varsin suuri tekijä.

Veri vetää laboratorion puolelle

Pekolan Pico-ryhmä ei ole mikään suuri, sillä siinä on hieman yli tusinan verran jäseniä. Ryhmä on ollut aikanaan isompikin, mutta Pekolan mukaan se oli hankalasti hallittava. Nyt ryhmään kuuluu kaksi senioritutkijaa, muutama tohtoritutkija ja puolen tusinaa jatko-opiskelijoita.

"Tällaisessa työssä on paljon erilaisia osaamisalueita. Tarvitaan teoreetikoita, ja niitä, jotka ovat näppäriä rakentamisessa. Ryhmänjohtamisen rikkaus on se, kun näkee erilaisia ihmisiä joilla on erilaisia taitoja, ja voi sitten tukea heidän urakehitystään myös jatkoa ajatellen."

"Haluan olla itse mukana oikeassa työssä ja oletan, että myös opiskelijoiden kannalta tilanne on parempi, koska joskus näkevät myös minua labrassa." Pekola tosin mainitsee monessa yhteydessä, että käytännön kokeiden tekeminen ja teorian yhdistäminen on hänelle tärkeää. "Siinä ei ole mitään mieltä, että vain räplää kokeiden kanssa, jos ei ymmärrä tarkalleen, mitä tapahtuu. Asioiden teoreettinen selittäminen on myös tärkeää, ja se on aina innostanut minua."

Eräs tällainen – jo pitkään Pekolan päässä pyörinyt – teoriaa ja käytännön tekemistä yhdistävä asia on sähkövirran standardin kehittäminen. Ideana on pyrkiä liikuttamaan elektroneja yksi kerrallaan samanlaisten rakenteiden läpi siten, että elektronien liikkeet kontrolloidaan ulkoisella jännitteellä.

"Minulla oli jo kymmenkunta vuotta sitten idea siitä, miten tämä voitaisiin saada hyvinkin tarkaksi, mutta se ei ole vielä edennyt sille tasolle, että se saataisiin metrologiassa hyväksytyksi virtastandardiksi. Olemme kuitenkin jo hyvin lähellä, ja tästä myös poikii koko ajan uutta tutkimusta."

Kvanttimaailmassa olisi paljon muutakin tekemistä, kuten esimerkiksi täysimittaisen kvanttitietokoneen rakentaminen. Siihen Pekolan mukaan Suomessa ei ole yksinkertaisesti rahkeita, joskin proof-of-concept –tyyppisen tutkimuksen kautta tässäkin työssä saadaan aikaan tärkeitä tuloksia.

"Lounasmaalta opin sen, ettei kannata tehdä työtä sellaisella alalla, minkä parissa maailmalla on jättimäisiä tutkimusryhmiä. On parempi löytää oma erikoisala, mihin pienikin ryhmä voi jättää jälkensä. Luulen, että olemme onnistuneet tässä aika hyvin."

Pekola kiittelee myös akatemiaprofessuuriaan siitä, että hän voi keskittyä varsin hyvin tutkimusryhmänsä johtamiseen ja myös tutkimukseen. "Tämä on tärkeää, sillä olen edelleen hyvin innostunut fysiikasta. Siinä riittää loputtomasti jännittävää tutkittavaa!"

*

Juttu on julkaistu ensin Suomen Akatemian nettisivuilla. Kirjoittaja on Tiedetuubin päätoimittaja ja tehnyt jutun Suomen Akatemian tilauksesta.

Jo kolmas suomalaissatelliitti sai luvan piipittää avaruudessa

To, 03/22/2018 - 10:48 Jari Mäkinen
Suomi 100 -satelliitti ja radioaaltoja

Valmistelut kolmannen suomalaissatelliitin avaruuteen lähettämiseksi etenevät nyt hyvää vauhtia: Suomi 100 -satelliitti on nyt saanut radioluvan.

“Tämä on jälleen yksi tärkeä askel eteenpäin matkallamme kohti avaruutta", iloitsee hankkeen vetäjä, professori Esa Kallio Aalto-yliopistosta Suomi 100 -satelliitin tiedotteessa.

"Olemme myös teknisesti valmiina viemään satelliitin Alankomaihin laukaisuvälittäjällemme koska tahansa, mikä riippuu puolestaan käyttämämme intialaisen kantoraketin laukaisuohjelmasta.”

Suomi 100 -satelliitti on jo kolmas suomalainen radioluvan saanut satelliitti. Ensimmäinen oli viime kesänä avaruuteen päässyt Aalto-1 ja toinen nyt tammikuussa laukaistu Iceye X1.

Viestintävirasto ilmoittaa tänään myöntäneensä radioluvan Aalto-yliopiston Suomi 100 -satelliittijärjestelmälle. Satelliittijärjestelmä koostuu yhdestä avaruuteen lähetettävästä satelliitista sekä kahdesta maassa sijaitsevasta maa-asemasta. Maa-asemat sijaitsevat Espoossa ja Huippuvuorilla.

Suomi 100 -satelliittia käytetään muun muassa lähiavaruuden sähkömagneettisten ilmiöiden ja avaruussään tutkimiseen. Lisäksi satelliitti pystyy kuvaamaan avaruudellista maisemaa, esimerkiksi revontulia. 

Satelliitti kiertää maapalloa noin 580 kilometrin korkeudella. Yhteen kierrokseen kuluu aikaa noin puolitoista tuntia. Arvion mukaan Suomi 100 -satelliitti palaa ilmakehään yhdeksän vuoden kuluttua.

Satelliitin käyttämistä taajuuksista sovitaan kansainvälisesti

Satelliitit voivat toimintansa luonteen vuoksi aiheuttaa radiohäiriöitä missä päin maailmaa tahansa. Tämän vuoksi taajuuksien käytöstä on sovittava kansainvälisesti etukäteen. 

Viestintävirasto on Kansainvälisen televiestintäliiton ITU:n sääntöjen mukaisesti hakenut hyväksyntää Suomi 100 -satelliittijärjestelmässä käytettäville radiotaajuuksille. Viestintävirasto on muun muassa esittänyt ratkaisut muiden maiden ilmaisemiin huoliin mahdollisista häiriöriskeistä. 

"On hienoa nähdä, että avaruustoiminta kehittyy edelleen ja yritykset ottavat uusia satelliitteja ja palveluita käyttöön", toteaa Viestintäviraston johtaja Jarno Ilme.

"Viestintävirasto on mielellään edistämässä kasvussa olevan avaruusalan toimintaa Suomessa. Viestintävirastolla on merkittävä rooli satelliittijärjestelmän taajuuksien sopimisessa muiden maiden kanssa. Kansainväliset neuvottelut Suomi 100 -satelliitin taajuuksista aloitettiin jo kesällä 2016."

Suomi 100 -satelliitti

Satelliitissa on useampi radio

Suomi 100 -satelliitti tekee myös tutkimusta radiolla, tosin tutkimuslaiteradio on erillinen laitteisto ja se ottaa vain vastaan radioaaltoja. 

Kyseessä on MF/HF-radiotaajuusaluetta (0,3–30 MHz) mittaava radiovastaanotin, joka tutkii avaruussäätä havaitsemalla maapalloa ympäröivästä varattujen hiukkasten alueesta tulevia radioaaltoja. 

Näin laite tukee Suomessa tehtävää avaruussään ja revontulten tutkimusta.

Laukaisua odotellaan…

Nimensä mukaisesti Suomi 100 -satelliitti oli tarkoitus lähettää avaruuteen jo viime vuonna, Suomen 100-vuotisjuhlien kunniaksi. Valitettavasti vain laukaisuun käytettävän intialaisen PSLV-raketin laukaisuissa on ollut suuria viivytyksiä viime syksystä alkaen, joten matkaan pääsy on lykkääntynyt. 

Satelliitti on kuitenkin ollut lähtövalmiina Otaniemessä jo viime lokakuusta alkaen. Odotusaikana satelliittia on testattu ja sen laitteistoja on kehitetty edelleen, joten aika ei ole mennyt hukkaan.

Muun muassa Iceye X1:n tammikuussa 2018 laukaissut PSLV-C40 laukaisualustallaan. Suomi 100 -satelliitti on mukana seuraavalla lennolla (toivottavasti) huhtikuussa.

 

Nyt satelliitti on lähtövuorossa seuraavassa PSLV:n laukaisussa, joka on numeroltaan 41. Itse raketti on jo Satish Dhawanin avaruuskeskuksessa Sriharikotassa, Intiassa, mutta ennen sen lentoa lähetetään keskuksesta matkaan toinen raketti, mm. suurten tietoliikennesatelliittien laukaisuun käytettävä GSLV.

Nimi PSLV tulee sanoista "Polar Satellite Launch Vehicle" ja GSLV "Geosynchronous Satellite Launch Vehicle", jotka ilmaisevat rakettien tarkoitukset: ensimmäisellä lähetetään satelliitteja Maan napojen kautta jotakuinkin kulkevalla polaariradalle ja jälkimmäisellä päiväntasaajan päälle geosynkroniselle radalle, jolla oleva satelliitti kiertää Maan täsmälleen vuorokaudessa.

Lento PSLV-C41 on vuorossa GSLV:n laukaisun jälkeen, ja jos tämän laukaisu sujuu suunnitellusti, on PSLV mahdollista laukaista näillä näkymin aikaisintaan 12. huhtikuuta 2018.

*

Juttu perustuu Suomi 100 -satelliittityöryhmän tiedotteeseen. Kirjoittaja on mukana tässä työryhmässä.

Onko skyrmioni pallosalaman salaisuus?

Su, 03/04/2018 - 22:52 Toimitus
Taiteelljan näkemys kvanttimekaanisesta pallosalamasta. Kuva: Heikka Valja.

Aalto-yliopiston ja yhdysvaltalaisen Amherst Collegen tutkijat ovat ensi kertaa onnistuneet luomaan kvanttikaasussa kolmiulotteisen skyrmionin. Se ennustettiin teoreettisesti yli 40 vuotta sitten, mutta vasta nyt se on havaittu myös kokeellisesti.

”Olemme luoneet keinotekoisen sähkömagneettisen solmun, kvanttipallosalaman, vain kahden vastakkaiseen suuntaan pyörivän sähkövirran avulla", kertoo tutkimuksen teoreettisesta osuudesta vastannut tutkija Mikko Möttönen.

"Pidän siksi mahdollisena, että luonnollinen pallosalama voisi syntyä tavanomaisessa salamaniskussa.”

Video kuvaa skyrmionin kokeellista luontia sivusta. Eri magneettisen momentin eli spin-vektorin suunnat muodostuvat erillisiin alueisiin oikealla (ylöspäin), keskellä (vaakasuunta) ja vasemmalla (alaspäin). Alueet on kuvannettu erillisinä, vaikka todellisuudessa kondensaatteja on vain yksi. Mitä vaaleampi väri kondensaatissa on, sitä suurempi on hiukkastiheys. Video: Tuomas Ollikainen.

 

Möttönen kertoo myös nähneensä itse talon sisään syöksyneen pallosalaman. Vastaavia havaintoja on tehty läpi historian, mutta fyysisiä todisteita on vähän.

Magneettisten momenttien eli spinien muodostamat solmut luodaan erittäin harvassa ja kylmässä kvanttikaasussa. Spinien muodostamilla solmuilla on monia pallosalamaa muistuttavia ominaisuuksia. Joidenkin tutkijoiden mukaan pallosalama koostuu varautuneiden hiukkasvirtojen kietoutuneista vyyhdeistä.

Näkymä koelaitteiston tyhjiökammioon, jossa kolmedimensioinen skyrmioni luotiin. Kuva: Russell Anderson.
Näkymä koelaitteiston tyhjiökammioon, jossa kolmedimensioinen skyrmioni luotiin. Kuva: Russell Anderson.

Kvanttikaasun atomien liike vastaa varautunutta hiukkasta pallosalaman solmumaisessa magneettikentässä. Solmujen kestävyys voi olla syy siihen, miksi pallosalama tai plasmapallo elää yllättävän pitkään verrattuna salamaniskuun. Nyt saavutetut tutkimustulokset voivat innoittaa löytämään uusia tapoja pitää plasmapallo koossa myös fuusioreaktorin sisällä.

”Pitää tutkixa tarkemmin, voiko tällaisella menetelmällä saada aikaan myös oikeita pallosalamia. Jatkotutkimus voisi johtaa esimerkiksi nykyistä vakaampaan fuusioreaktoriin, kun plasmaa voitaisiin pitää koossa nykyisiä keinoja tehokkaammin”, tarkentaa Möttönen.

Leikkaus pallomaisen skyrmionin rakenteesta sen luomisprosessin aikana. Skyrmionin muodostavan kentän tilaa kuvataan kolmikolla, jossa on kolme kohtisuoraa akselia. Aluksi kaikki kolmikot osoittavat samaan suuntaan, mutta luomisprosessin aikana ne pyörivät eri akselien ympäri, mikä lopulta saa aikaan skyrmionin, jossa kukin suunta esiintyy tasan kaksi kertaa. Kolmikon vihreä kärki osoittaa spinin suunnan. Kaikki kolmikot, joilla on sama spinin suunta, muodostavat suljetun käyrän, joita näytetään videossa kolme (keltainen, violetti ja oranssi). Kukin tällainen rengas lävistää kaikki muut renkaat kerran, mistä syntyy solmumainen rakenne. Video: David Hall.

Spinit pyörivät skyrmionissa ja saavat aikaan kestävän solmun.

”Kvanttikaasu jäähdytetään hyvin kylmäksi, Bosen-Einsteinin kondensaatiksi, jossa kaikki atomit päätyvät matalimman energian tilaan. Silloin se käyttäytyy kuin jättimäinen atomi tavanomaisen kaasun sijaan”, kuvailee tutkimuksen kokeellisesta osuudesta vastannut professori David Hall.

Skyrmioni luodaan alkutilasta, jossa jokaisen atomin magneettinen momentti eli spin osoittaa ylöspäin, kuten myös luonnollinen magneettikenttä. Sitten magneettikenttää muutetaan niin, että sen nollakohta asettuu kaasusta muodostuvan kondensaatin keskelle. Spinit lähtevät pyörimään kussakin paikassa olevan magneettikentän suunnan ympäri. Koska magneettinen kenttä osoittaa kaikkiin mahdollisiin suuntiin nollakohdan lähellä, spinit kiertyvät solmuun.

Skyrmionin solmumaisessa rakenteessa kukin alue, jossa spin osoittaa tiettyyn samaan suuntaan, muodostaa rinkulan, ja eri rinkulat menevät toistensa läpi. Siksi solmua voidaan löysätä tai sitä voidaan siirtää, mutta ei rikkoa.

”Skyrmionin ja kvanttisolmun erottaa siitä, että skyrmionissa spinit eivät vain kierry solmulle, vaan myös kondensaatin kvanttivaihe pyörii ympäri”, kertoo Hall.

Jos atomien spinin suunta muuttuu kondensaatin sisällä, kondensaatti käyttäytyy kuin se olisi varattu hiukkanen luonnollisessa magneettikentässä. Solmussa oleva spinien rakenne saa aikaan tällaisen keinotekoisen magneettikentän, joka on täsmälleen erään pallosalaman mallin mukainen magneettikenttä.

*

Juttu on Aalto-yliopiston tiedote käytännössä suoraan kopioituna.

Otaniemessä grillattiin satelliittia

Su, 02/25/2018 - 23:28 Jari Mäkinen
Suomi 100 -satelliitti menossa "uuniin"

Otaniemessä tehtiin viikonloppuna satelliitin grillaus: Suomi 100 -satelliitti kävi läpi tyhjökuumennuksen, mikä on yksi askel kohti laukaisua.

Suomen satavuotisjuhlasatelliitin lento siirtyi lopulta tämän vuoden puolelle, koska intialaisen PSLV-kantoraketin lennot ovat kovasti myöhässä viime syksynä tapahtuneen epäonnistuneen laukaisun vuoksi.

Niinpä Suomi 100 -satelliittitiimillä on ollut aikaa testata satelliittia uudelleen sekä parannella sitä ja sen ohjelmistoja.

Nyt odotuksen aika alkaa olla viimein ohi, sillä nyt maanantaista alkaen satelliitti on valmis lähtöön koska tahansa.

Tällä haavaa laukaisu on epävirallisen tiedon mukaan suunnitteilla maaliskuun 31. päivään, mutta historia on osoittanut, että päivä siirtyy hyvin todennäköisesti tästä vielä eteenpäin.

Suomalaiset eivät kuitenkaan vie satelliittia suoraan Intiaan, vaan Alankomaissa olevalle laukaisuvälittäjälle; se aloittaa omat toimensa heti, kun intialaiset antavat jokseenkin tarkan arvion laukaisuajankohdasta, ja se saattaa tapahtua nyt koska tahansa.

Niinpä Aalto-yliopistossa oleva satelliittitiimi on aloittanut jälleen laukaisuvalmistelut. Tässä tärkein toimenpide on niin sanottu bake-out, jonka tarkoituksena on kuivata ja puhdistaa satelliitti, jotta sen sisälle mahdollisesti jääneet epäpuhtaudet eivät haittaisi sen ja muiden samalla lennolla kulkevien satelliittien toimintaa.

Avaruudessa kun epäpuhtaudet kaasuuntuisivat ja aiheuttaisivat paitsi mahdollisia häiriöitä satelliitin sisällä, niin myös kaasua tihkuisi ulos satelliitista.

Bake-outissa satelliitti laitetaan kuumaan uuniin. Kyseessä ei kuitenkaan ole leipurin pullauuni, vaan tyhjiökammio, josta pumpataan ilma pois ja jota voidaan lämmittää.

Laukaisunvälittäjä vaatii, että bake-out kestää vähintään 24 tuntia, jonka aikana satelliitti on +50 C lämpötilassa ja ilmanpaine on alle 0,000013 prosenttia ilmakehän normaalipaineesta.

Tyhjiökuumennuksen aikana satelliitista irtosi 0,6 grammaa likaa pinnoilta – eli satelliitti oli onnistuttu pitämään varsin puhtaana!

Satelliitti suojalaatikossa

Satelliitti vietiin temppua varten hyvin suojattuna viime perjantaina VTT:n tiloihin Micronovaan, vain muutaman sadan metrin päähän Aalto-yliopiston satelliittilaboratoriosta. Se kiinnitettiin nanosatelliiteille varta vasten tehtyyn telineeseen, niin sanottuun pyramidiin, joka laitettiin painekammion pohjalle. Sen tarkoitus on johtaa lämpöä tasaisesti satelliitin rakenteisiin. 

Itse satelliittiin kiinnitettiin useita lämpötilasensoreita, joilla varmistettiin se, että satelliitti lämpenee vähintään 50°C:n lämpötilaan. 

"Sitten vaan laitettiin laitteet päälle, annettiin kammion asettua vaadittuun lämpötilaan/paineeseen ja jätettiin satelliitti sinne", kertoo tiimin jäsen Petri Koskimaa.

Maanantaina satelliitti haettiin pois ja testien mukaan kaikki oli sujunut erinomaisesti.

Tämän toimenpiteen jälkeen ei satelliittiin enää käytännössä fyysisesti kosketa, vaan satelliitti on aina kantoraketin laukaisusovittimeen asentamiseen saakka sen suojaksi mittatilauksena tehdyssä pleksilaatikossa, mistä on vain kaksi johtoa ulos: toinen on akkujen latausjohto ja toinen menee satelliitin USB-liittimeen. Näin siihen voidaan edelleen olla sähköisesti yhteydessä ja sen akut voidaan pitää ladattuina.

Se, milloin satelliitti toimitetaan Alankomaihin, Delftiin laukaisuvälittäjälle ja laitetaan siellä raketin laukaisusovittimeen, on toistaiseksi vielä siis epävarmaa. Voi hyvinkin olla niin, että laukaisu siirtyy ensi huhtikuun puolelle.

Päähyötykuormana Suomi 100 -satelliittia kuljettavalla PSLV C-41 -lennolla on intialaisten satelliittipaikannusjärjestelmän satelliitti IRNSS-1.

Suomi 100 -satelliitti on nyt valmis lähtöön. Sitä pidetään nyt Otaniemessä kolminkertaisesti suojattuna: puhdastilan sisällä olevan pöydän päällä on pleksilaatikko, jonka sisällä olevassa toisessa laatikossa satelliitti on. Tästä se otetaan pois vasta sitten, kun matka Hollantiin alkaa. Silloin satelliitti on erikoiskuljetuslaatikossa.

*

Juttu perustuu kirjoittajan Suomi 100 -satelliittihankkeelle tekemään tekstiin. Kuvat: Petri Koskimaa ja Arno Alho.

Tekstiä on päivitetty ja viimeinen kuva lisätty 26.2. satelliitin kuumennuksen päätyttyä.

Kyllä, tunteet näkyvät aivoissamme

To, 02/15/2018 - 23:52 Toimitus
Kuvitusta aivoista ja tunteista

Kaikki tietävät, että tunteita on helppo nähdä jopa silmämääräisesti esimerkiksi kasvonilmeiden, kehon tuntemusten ja yksilöllisisten kokemusten perusteella. Toistaiseksi kuitenkaan ei tiedetä, onko eri tunteilla myös niin erilainen aivoperusta, että tunteita voitaisiin erotella toisistaan pelkän aivojen toiminnan perusteella.

Huomenna perjantaina Aalto-yliopistossa väittelevä Heini Saarimäki on selvitellyt tutkimuksessaan tätä asiaa: millaisia ovat eri tunnetilojen vaikutukset aivojen toimintaan ja eri aivoalueiden välisiin yhteyksiin?

Väitöskirjan osatutkimuksissa mitattiin elokuvien, tarinoiden ja henkilökohtaisten muistojen herättämien tunnetilojen vaikutuksia aivojen toimintaan ja eri aivoalueiden välisiin yhteyksiin yhdistämällä koneoppimismenetelmiä aivojen toiminnalliseen magneettikuvaukseen (fMRI).

Tulokset osoittivat, että eri tunnetiloilla on todellakin oma aivoperustansa – siis tunteita voi tunnistaa aivojen toiminnasta.

Mitä samankaltaisemmaksi kaksi tunnetta koetaan, sitä samankaltaisempi aivotoiminta niihin liittyy. Tunteet muokkaavat koko aivojen toimintaa ja eri aivoalueiden välisiä yhteyksiä ja vaikuttavat sitä kautta kaikkeen kehomme ja mielemme toimintaan.

Tarkalleen ottaen tutkimustulokset valottavat erilaisten tunteiden aivoperustaa sekä tämän yhteyksiä tietoisiin tunnekokemuksiimme.

Ne lisäävät ymmärrystämme eri tunteiden merkityksestä ja taustasta sekä niiden vaikutuksesta kehoomme ja mieleemme. Tietoa voidaan hyödyntää myös erilaisten tunne-elämän häiriöiden hoidossa.

Aalto-yliopiston Neurotieteen ja lääketieteellisen tekniikan laitoksella on tutkittu paljon aivojen toimintaa eri kuvantamismenetelmillä. Käytössä heillä on kolme erilaista aivokuvantamislaboratoriota: Aalto TMS (Navigoitu transkraniaalinen magneettistimulaatio, nTMS), Advanced magnetic imaging (AMI)-keskus (toiminnallinen magneettikuvaus, fMRI) ja MEG Core (magnetoenkefalografia, MEG).

Jos asia kiinnostaa enemmänkin, Heini Saarimäen väitöskirjan voi lukea täällä: Decoding emotions from brain activity and connectivity patterns.

*

Juttu perustuu Aalto-yliopiston tiedotteeseen.

Tiedetuubin klubi Aalto-yliopiston satelliittilaboratoriossa

Tiedetuubin klubi vieraili keskiviikkona 31. tammikuuta Aalto-yliopiston satelliittilaboratoriossa. Parituntisen kierroksen aikana käytiin puhdastilassa katsomassa Suomi 100 -satelliittia sekä Aalto-1:n maa-asemalla, missä kuultiin myös satelliitin piitistystä suoraan avaruudesta.

 

Suomen meneillään oleva satelliittiboomi sai alkunsa Aalto-yliopistosta. 

Aalto-1 -kuutiosatelliitti toimi herättäjänä ja sai pian seuraajakseen paitsi Aalto-2 -hankkeen, niin myös kaksi spin-off -yhtiötä, Reactor Space Labin ja Iceyen. Iceye ennätti jo tammikuussa laukaisemaan oman – suuren! – satelliittinsa avaruuteen ja Reactor Space Lab seuraa perässä nyt keväällä.

Nyt Aallossa on laukaisuaan odottamassa yliopiston kolmas satelliitti, Suomi 100 -satelliitti. Sen oli tarkoitus päästä kiertoradalle satavuotisjuhlien kunniaksi, mutta kantorakettiongelmien vuoksi näin ei tapahtunut. Näillä näkymin satelliitti pääsee matkaan maalis-huhtikuussa. 

Hyvä puoli viivytyksestä on ollut se, että satelliittia on ennätetty testaamaan perinpohjaisesti ja sen ohjelmistoja on pystytty parantelemaan.

Ja hyväksi puoleksi voinee laskea myös sen, että satelliitti oli paikalla puhdastilassa, kun klubi pääsi käymään siellä. Saatoimme siis ihmetellä Petri Koskimaan ystävällisellä avulla hyvin lähietäisyydeltä ja konkreettisesti sitä, mistä on pieni satelliitti tehty ja miten.

Satelliittilaboratorion puhdastilavaatteiden riisumisen jälkeen klubi suuntasi TUAS-talon yläkerrassa olevan saunaosaston suuntaan: Aalto-1:n maa-asema sijaitsee siellä katon rajassa, koska antenneista tulevien piuhojen on hyvä olla mahdollisimman lyhyitä ja ongematilanteiden vuoksi pääsy antenneille on vastaanotinhuoneesta helppo.

Saavuimme paikalle juuri sopivaan aikaan, sillä Aalto-1 oli horisontin yläpuolella. Se oli niin matalalla pohjoisella taivaalla, ettei Petri Niemelä viitsinyt olla siihen varta vasten yhteydessä. Kun satelliitin rata ei vie sitä kohtalaisen korkealle taivaalla Otaniemen näkökulmasta, on ylilento paitsi lyhyt, niin myös ilmakehästä tulevat häiriöt yhteydessä ovat suurempia. 

Nyt saatoimme kuitenkin kääntää antennin kohti metsän päällä vipeltänyttä satelliittia ja kuulla sen kantoaallon morsetuksen. Petri selitti lisäksi hyvin konkreettisesti, miten satelliittiin ollaan yhteydessä, miten sitä ohjataan ja kuinka sen tietoja otetaan vastaan. 

Maa-aseman vastaanotinhuone oli hieman sekavassa kunnossa, mikä on itse asiassa selvä viesti siitä, että siellä tehdään hommia. Nyt Suomi 100 -satelliittia varten ollaan tekemässä uutta vastaanotinta – paitsi satelliittien rakentaminen, myös kaikki niihin liittyvät tehtävät (kuten maa-asema ja yhteydenpito) ovat myös opetuksellisia tehtäviä. Paras tapa oppia maa-asemankin toiminnan periaatteet on tehdä sellainen itse ja käyttää sitä.

"Se, että voin tänään olla täällä maa-asemalla purkamassa antennin ohjaussähkömoottorien koneistoa kädet rasvassa ja huomenna olla laboratorion puhdastilassa tekemässä mikroskoopin alla herkän komponentin juottamista, on ehdottomasti parasta näissä satelliittihankkeissa", totesi Petri takaisin alakertaa kävellessämme.

"Ainakin tässä pioneerivaiheessa tämä laaja-alaisuus on mielestäni upeaa!"

*

Seuraava Tiedetuubin klubin vierailu tapahtuu helmikuussa ja se tapahtuu Genevessä. Käymme 15.2. vierailulla Euroopan hiukkastutkimuskeskus CERNissä. Kaikki paikat käynnille on valitettavasti jo varattu.

Suorana labrasta 5/2018: Paavo Niskala & fuusioenergiaa

Ma, 01/29/2018 - 09:33 Toimitus
Paavo Niskala

Tällä viikolla @suoranalabrasta -twiitit tulevat Aalto-yliopiston Teknillisen fysiikan laitokselta ja niitä lähettää Paavo Niskala, eli @paavi. Hän on plasmafyysikko, joka viimeistelee parhaillaan väitöskirjaa fuusioenergiasta.

Paavo valmistui Aallosta diplomi-insinööriksi vuonna 2014 ja väittelee näillä näkymin kesällä tohtoriksi. 

Aiheenaan hänellä ovat fuusioplasmat, joiden käyttäytymistä hän mallintaa tietokonesimulaatioiden avulla.

"Erityisesti kiinnitän huomiota lämmön ja polttoainehiukkasten häviöitä muokkaavaan turbulenssin ja virtausten vuorovaikutukseen. Käytän pääasiassa täällä Aallossa kehitettyä simulointityökalua, jota ajetaan supertietokoneilla Suomessa ja maailmalla. Lisäksi teen yhteistyötä pietarilaisten tutkijoiden kanssa. Rahoituksen tutkimukselle saan eurooppalaisen fuusiotutkimuksen kattojärjestöltä Eurofusionilta."

Tutkijat ovat jo vuosikymmeniä pyrkineet kehittämään fuusioreaktoria Maan päälle. Perusidean tiedetään toimivan, sillä Aurinko tuottaa valoa nimenomaan yhdistämällä kevyitä alkuaineita, vaikka sen helposti näin suomalaisen talven pimeydessä unohtaakin. 

Suurin huomio Suomessa ja maailmalla kiinnittyy tällä hetkellä niin kutsuttuihin tokamakeihin, joissa polttoaine kuumennetaan plasmaksi, joka puolestaan pyritään pitämään koossa donitsia muistuttavalla magneettisella pullolla. Tälle periaatteelle pohjautuu muun muassa eteläiseen Ranskaan rakennettava massiivinen koelaitos Iter.

"Fuusiotutkimuksen keskeisimpiin haasteisiin kuuluu tällä hetkellä magneettisen koossapidon tehokkuus", selittää Paavo. 

"Polttoaine kuumennetaan aina 150 miljoonaan asteeseen asti, mutta osa lämmpöstä ja hiukkasista vuotaa väistämättä kohti reaktorin seiniä. Suurimman osan häviöistä aiheuttaa turbulenssi, joka syntyy varattujen hiukkasten ja sähkömagneettisen kenttien monimutkaisen vuorovaikutuksen tuloksena. Jos lämpö saadaan pysymään reaktorissa riittävän hyvin, pitäisi plasman niin sanotusti syttyä ja alkaa tuottaa riittävästi energiaa fuusioreaktioiden ylläpitämiseen ilman merkittävää ulkoista kuumennusta."

Paavon tärkein kiinnostuksen kohde on juuri tämä turbulenssi, mitä hän tutkii massiivisten tietokonesimulaatioiden avulla. Näihin hän käytää luonnollisesti supertietokoneita.

"Mallintamisesta  tekevät haastavaa millimetreistä metreihin ja nanosekunneista sekunteihin vaihtelevat mittaskaalat. Toisaalta kaoottisesti käyttäytyvällä plasmalla on taipumusta itsejärjestäytymiseen: turbulenssi synnyttää virtauksia, jotka auttavat vaimentamaan sitä samaa turbulenssia. Näiden kahden vuorovaikutukselle onkin haettu analogiaa muun muassa peto- ja saaliseläinten välisestä dynamiikasta."

Tutkimuksen ohella Paavo osallistuu oppilaiden ohjaamiseen sekä opettamiseen. Hän on myös kirjoittanut tutkimusaiheestaan artikkelin Eurofusionin Fusion in Europe -julkaisuun pari vuotta sitten. 

Mitä tulee muuhun kuin työhön, niin Aallon ulkopuolella Paavo harrastaa salilla huhkimista, salibandya, vaihtelevista aihesta lukemista sekä videopelien pelaamista että niistä kirjoittamista. Hän on myös kirjoitellut ja tehnyt podcasteja suomalaisiin pelimedioihin. 

"Niin, ja sain Guinnessin maailmanennätyksen maailman pisimmästä Halo-maratonista syksyllä 2015."

Ihmisporaa kehittävä suomalaisfirma sai rahoitusta

To, 01/25/2018 - 12:10 Toimitus
Kirurgi käyttämässä Surgify- turvaporanterää simuloidussa leikkauksessa. Kuva: Surgify

Aalto-yliopiston ja HUS:n neurokirurgian klinikan välisenä yhteistyönä tehdystä tutkimuksesta syntynyt startup-yritys on saanut miljoonan euron rahoituksen kirurgisen poranterän viimeistelyyn ja myyntiluvan hakemiseen Euroopassa.

Surgifyn kehittämä teknologia ehkäisee kirurgisten porien aiheuttamia hermo- ja verisuonivaurioita leikkausten aikana. Teknologia on mahdollista yhdistää vaivattomasti nykyisin käytössä oleviin kirurgisiin poriin, eikä sen käyttö vaadi kirurgilta ja hoitohenkilökunnalta ylimääräistä harjoittelua. Neurokirurgian lisäksi innovaatiota voidaan hyödyntää selkäkirurgiassa, sekä tulevaisuudessa myös ortopediassa ja hammastoimenpiteissä.

”Teknologia on herättänyt suurta kiinnostusta sairaaloissa ja kirurgien keskuudessa sekä Suomessa että kansainvälisesti. Vierailimme esimerkiksi hiljattain Bostonissa Harvard Universityn opetussairaaloissa, joissa vastaanotto oli erittäin positiivinen”, kertoo yrityksen toimitusjohtaja Visa Sippola ja jatkaa:

”Uskomme, että kehittämämme teknologian avulla on mahdollista säästää tulevaisuudessa ihmishenkiä. Pystymme myös tuomaan selkeitä säästöjä kirurgian alalle – nykyisten kirurgisten porien aiheuttamat komplikaatiot aiheuttavat maailmanlaajuisesti yli 4 miljardin euron kustannukset joka vuosi.”  

Teknologia on kehitetty alun perin Aalto-yliopiston ja HUS:n neurokirurgian klinikan välisenä yhteistyönä.

”Olemme ylpeitä Aalto-yliopiston kulttuurista, joka tukee vahvasti yrittäjyyttä ja innovaatiotoimintaa. Menestyksekkäiden startup-yritysten takaa löytyy aina paljon kokeiluja, epäonnistumisia ja onnistumisia, jotka lopulta johtavat toimivaan innovaatioon”, sanoo innovaatioasiantuntija Panu Kuosmanen Aalto-yliopiston tutkimus- ja innovaatiopalveluista.

Surgifyn tavoitteena on saada turvaporanterä markkinoille vuoden 2019 aikana. Yritys aikoo käynnistää tuotteen myynnin ensin Suomessa ja muissa Pohjoismaissa, minkä jälkeen liiketoimintaa on tarkoitus laajentaa nopeasti kansainvälisille markkinoille.

Startupin toiseen rahoituskierrokseen osallistuivat suomalaisen pääomasijoittaja Butterfly Venturesin lisäksi belgialainen Cascara Ventures, ruotsalainen Merkatura AB (Andreas Bunge) ja saksalainen FRIIH GmBH (Dr. Michael Friebe). Rahoitus on tarkoitus käyttää Surgify:n kehittämän neurokirurgisen poran viimeistelyyn ja myyntiluvan hakemiseen Euroopassa.

*

Juttu on Aalto-yliopiston tiedote käytännössä suoraan lainattuna.

Esineiden internet räjäyttää datan määrän – Aallossa koetetaan auttaa

Ke, 01/10/2018 - 12:56 Toimitus

Helposti valmistettavat orgaaniset ohutkalvot voivat säilöä tietoa yli kymmenen vuotta yhdellä muutaman voltin sähköimpulssilla.

Jos olet tuskastunut siihen, että kovalevysi tai kännykän muisti tuntuu olevan koko ajan täynnä, voit lohduttautua sillä, että et ole yksin. Lisäksi ongelma on varsin pieni verrattuna siihen, että lähitulevaisuudessa on edessä vieläkin suurempia ongelmia.

Kiitos vain, esineiden internet, eli Internet of Things – kuten kaikkia kuviteltavia laitteita netin kautta yhdistävää maailmaa kutsutaan.

Osa ongelmaa on se, että nykyinen komponentti- ja piirilevyteknologia ei kykene hallitsemaan esineiden internetin synnyttämiä datamassoja.

Jo yksi älykello, siivousrobotti tai itsestään ajava auto voi tuottaa gigatavuittain dataa päivässä, ja yhdessä lentokoneen siivessä voi olla yli 10 000 sensoria. Arvioiden mukaan esineiden internet käyttääkin vuonna 2020 yli 50 miljardia sensoria.

Jotta laitteisiin saadaan tarpeeksi laskentatehoa, nykyiset tietokoneiden piirilevyissä käytettävät transistorit pitäisi pystyä kutistamaan muutaman nanometrin kokoisiksi.

Siinäkin on ihan pieni ongelma: ne eivät toimisi silloin kunnolla.

Lisäksi ennenäkemättömän datamäärän käsittely ja tallennus vaativat valtavasti energiaa.

Aalto-yliopistossa työskentelevän akatemiatutkija Sayani Majumdarin vetämä tutkijaryhmä kehittää molemmat ongelmat ratkaisevaa teknologiaa: peruspalikoita neuromorfisten eli aivojen toimintaa jäljittelevien tietokoneiden komponentteihin.

Maailman suurimmat IT-yritykset ja EU investoivat neuromorfisten tietokoneiden tutkimukseen huomattavasti, mutta kukaan ei vielä ole pystynyt luomaan toimivaa nanokokoista laitteistoa, jota voisi myös valmistaa teollisesti.

“Neuromorfisten tietokoneiden vaatima teknologia kehittyy nyt nopeammin kuin niiden haastajat eli kvanttitietokoneet. Yliopistot ja yritykset etsivät kuumeisesti tapoja tehdä vaativaa laskentaa suoraan älypuhelinten, tablettien ja tietokoneiden laitteistolla – ilman ohjelmistoja. Jotta se onnistuisi, tarvitaan äärimmäisen energiatehokkaita, aivojen neuroverkkojen sähköistä tietojenkäsittelyä imitoivia komponentteja”, Majumdar sanoo.

Vähemmän raskasmetallisaastetta

Majumdarin ryhmä on onnistunut valmistamaan uudenlaisia ferrosähköisiä tunneliliitoksia eli muutaman nanometrin paksuisia, kahden elektrodin välissä olevia ohutkalvoja. Liitokset toimivat vain muutamien volttien jännitteellä, ja niitä voi yhdistää monenlaisiin elektrodimateriaaleihin, kuten kaikissa tietokoneissa yleisiin piisiruihin.

Liitoksiin voi myös tallentaa informaatiota yli kymmeneksi vuodeksi ilman lisävirtaa. Niitä voi valmistaa nopeasti suuria määriä normaalissa huoneenlämpötilassa, ilman tyhjiötä tai puhdastiloja. Perinteiset tunneliliitokset on tehty metallioksideista, ja niitä voi valmistaa vain 700 asteen lämpötilassa ja tyhjiössä.

”Meidän liitoksemme on tehty orgaanisista hiilivedyistä, joten ne vähentäisivät myös elektroniikkajätteen raskasmetallisaasteen määrää”, Majumdar huomauttaa.

Ferrosähköiset ohutkalvokomponentit ovat ihanteellisia neuromorfisiin tietokoneisiin, koska ne vaihtavat tilaa ei vain binaarisesti nollan ja ykkösen, vaan myös monien muiden tilojen välillä. Siten ne voivat ikään kuin muistaa niihin syötettyä informaatiota samaan tapaan kuin aivot. Komponentit tarvitsevat vain minimaalisen määrän energiaa säilyttääkseen kerran saamansa informaation – vaikka niistä kytkisi virran pois ja käynnistäisi uudestaan.

Kyse ei ole enää edes transistoreista vaan muistavista ”memristoreista”. Esimerkiksi Marsia seuraavan kerran vuonna 2020 tutkimaan lähetettävä Rover-robotti tarvitsee keinotekoisia aivoja muistuttavan laitteiston, jotta se voisi analysoida keräämäänsä dataa vain yksi aurinkokenno energianlähteenään.

”Yritämme seuraavaksi yhdistää miljoonia tunneliliitoksiamme käyttäviä memristoreita neliösenttimetrin kokoiseksi verkostoksi. Ne voisivat suorittaa kompleksisia tehtäviä, kuten kuvan- ja hahmontunnistusta ja tehdä analysoimansa datan pohjalta itse päätöksiä”, Majumdar kertoo.

*

Juttu on Aalto-yliopiston tiedote lievästi editoituna.

Ennätystarkka kuva vettä hylkivistä pinnoista

La, 12/02/2017 - 18:18 Toimitus
Mikroskoopin pisara-anturi perhosen (varjovelhosiipi, Troides aeacus) superhydrofobisella siivellä. Kuva: Matti Hokkanen / Aalto-yliopisto

Aalto-yliopiston tutkijoiden kehittämä mikroskopiatekniikka auttaa muun muassa itsepuhdistuvien pintojen kehittämisessä.

Kun vesi joutuu kosketuksiin superhydrofobisen eli erittäin vettähylkivän pinnan kanssa, se muodostaa pallomaisia pisaroita, jotka pyörivät helposti pois pinnalta.

Aalto-yliopiston tutkijat ovat kehittäneet mullistavan Scanning Droplet Adhesion Microscopy (SDAM) -mittaustekniikan, jolla voidaan tutkia entistä tarkemmin superhydrofobisten materiaalien kastumisominaisuuksia eli sitä, miten neste leviää ja käyttäytyy tietyllä pinnalla. 

Uusi tekniikka on tuhat kertaa tarkempi kuin parhaat nykyiset kastumisominaisuuksien mittaamiseen käytetyt menetelmät. Nature Communications julkaisi juuri menetelmästä kertovan tutkimusartikkelin.

”Uuden mikroskooppimme ansiosta ymmärrämme paremmin, miten pinnan mikrorakenteet vaikuttavat kastumiseen", Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen professori Robin Ras selittää.

"Mittausinstrumentti pystyy havaitsemaan pintojen mikroskooppisia virheitä, jotka ilmenevät pieninä vaihteluina kastumisominaisuuksissa. Tämä on erittäin tärkeää itsepuhdistuvien sekä jäätymistä, huurtumista, korroosiota ja biologisen aineksen kertymistä estävien tuotteiden kehittämisessä, sillä niissä pienetkin viat voivat haitata koko pinnan toimintaa”, 

Erittäin herkkä SDAM-tekniikka on tuhat kertaa tarkempi kuin parhaat nykyiset kastumisominaisuuksien mittaamiseen käytetyt menetelmät. Ne pystyvät mittaamaan pisaroiden tarttumisvoimia mikronewtonin tarkkuudella, mikä ei riitä superhydrofobisten pintojen tutkimuksessa.

SDAM-tekniikalla pystytään myös mittaamaan pintojen mikroskooppisia ominaisuuksia ja epätasaisuuksia.

”Selvitimme pinnan vedenhylkivyyttä vesipisaroiden avulla niin, että mittasimme erittäin pieniä, nanonewtonien suuruisia, voimia pisaran koskettaessa pintaa ja irrotessa siltä. Teimme mittauksia näytepinnoilla millimetrin sadasosan välein, ja pystyimme näin laatimaan pinnan vedenhylkivyydestä kaksiulotteisen kuvan – tavallaan kartan sen kastumisominaisuuksista”, kertoo Aalto-yliopiston professori Quan Zhou.

Tähän mennessä pintojen kastumisominaisuuksien tutkimisessa on käytetty kontaktikulman, eli vedenpinnan ja kiinteän pinnan kosketuskulman, mittaamista. Menetelmä on kuitenkin altis epätarkkuuksille erittäin vettähylkivillä pinnoilla.  

Uuden menetelmän etu on myös se, että toisin kuin kontaktikulman mittaaminen, se ei edellytä suoraa näköyhteyttä pisaran ja pinnan rajapinnalle, joten sillä voidaan mitata tekstiilien tai biologisten pintojen kaltaisia epätasaisia pintoja. SDAM-menetelmällä pystytään lisäksi tutkimaan pienten biosirujen, kemiallisten antureiden ja mikrosähkömekaanisten komponenttien ja järjestelmien mikroskooppisten toiminnallisten alueiden kastumista, mitä on vaikea tutkia perinteisillä menetelmillä.

Tutkimukseen osallistuivat tutkijat Ville LiimatainenMaja VuckovacVille JokinenVeikko SariolaMatti Hokkanen, Quan Zhou ja Robin Ras.

Jutun pohjana on Aalto-yliopiston tiedote.