Paljastuuko pallosalaman salaisuus ja mahdollistuuko fuusioreaktori? Kvanttikaasuun luotu skyrmioni voi olla avain

Aalto-yliopiston ja yhdysvaltalaisen Amherst Collegen tutkijat ovat onnistuneet luomaan keinotekoisen sähkömagneettisen solmun, eräänlaisen kvanttipallosalaman. Se voi mullistaa myös kulutuselektroniikan.

kvanttimekaniikka
Skyrmioni.
Heikka Valja / Aalto-yliopisto

Kymmenen vuotta sitten saksalaistutkijat onnistuivat luomaan ensimmäistä kertaa magneettisen skyrmionin.

Islantilaisen rahkan tai Skyrim-tietokonepelin ensimmäisenä mieleentuovassa löydössä on kyse alueesta, jossa materiaalin magneettiset momentit kääntyilevät tietyllä tavalla. Skyrmioneja esiintyy magneettisten materiaalien pinnalla. Siellä ne eivät ole alkeishiukkasia kuten elektroni, vaan energiapaketteja magneettisessa järjestyksessä.

Kuulostaako hankalalta? No ei ihme, kyse on kvanttimekaaniikasta, jonka lait eivät noudata “arkijärkeämme”.

Brittifyysikko Tony Skyrme ehdotti teoreettisesti jo 1960-luvun alussa, että skyrmionit voisivat esittää alkeishiukkasten pohjimmaista rakennetta. Tällöin ne olisivat todella pieniä kvanttihiukkasia, jotka käyttäytyvät kvanttimekaniikan lakien mukaan.

Vuonna 2013, viisi vuotta ensimmäisen skyrmionin löytämisen jälkeen, Hampurin yliopiston tutkijat havaitsivat, että näitä kvasihiukkasia voidaan käyttää tiedon tallentamiseen magneettisella alustalla. Tämä tosin vaati lämpötilan, joka oli alle miljoonasosa asteen päässä absoluuttisesta nollapisteestä.

Viime kuussa ryhmä ranskalaisyliopistojen tutkijoita julkaisi nanoteknologiaa käsittelevässä tiedejulkaisussa artikkelin, jossa alhaisen lämpötilan ongelma oli saatu ratkaistua. Jos huoneenlämpöiset skyrmionit onnistutaan valjastamaan tallennustyöhön, tulevaisuuden elektroniikka saattaa olla huomattavasti pienempää, nopeampaa ja kestävämpää. Samalla laitteiden energiankulutus putoaisi murto-osaan nykyisestä.

Kvanttipallosalama leimahti laboratoriossa

Tähän mennessä skyrmioneja on luotu vain pinnoille, kahdessa ulottuvuudessa. Nyt Aalto-yliopiston ja amerikkalaisen Amherst Collegen tutkijat ovat onnistuneet luomaan myös kolmiulotteisen, solmumaisen skyrmionin. Ryhmän tieteellinen artikkeli julkaistiin perjantaina arvostetussa Science Advances -lehdessä.

Lähellä absoluuttista nollapistettä olevaan kvanttikaasuun luotu skyrmioni muistuttaa palloa, joka muodostuu renkaina toistensa ympäri ja läpi kulkevista virtauksista. Se on topologisesti stabiili rakenne, mikä tarkoittaa, ettei sitä pysty rikkomaan. Renkaita ei voi katkaista, vaan niitä voi ainoastaan löysätä tai siirtää.

Skyrmion.
Aalto-yliopisto

Ensimmäinen kolmiulotteinen skyrmioni toi mukanaan myös yllätyksen tutkijoille.

– Aluksi me ajattelimme, että suurin tulos on se, että saimme skyrmionin tehtyä. Mutta sitten sen lisäksi me huomasimme, että oho, tässähän tulee tällainen synteettinen magneettikenttä, jossa kenttäviivat menevät kolmiulotteiseksi solmuksi, tutkimuksen teoreettisesta osuudesta vastannut tutkija Mikko Möttönen kuvailee.

Tämä solmuun mennyt magneettikenttä vaati lisäselvitystä.

– Me teimme teoreettisen laskun, että miltä se synteettinen magneettikenttä näyttää ja osoittautui, että se on täysin sama kenttä kuin 20 vuotta sitten ehdotetussa mallissa pallosalamalle, Möttönen kertoo.

Pallosalama on säilynyt mysteerinä ihmiselle. Pallosalaman syntymekanismia ei ole saatu vielä selvitettyä, eikä sen luominen laboratoriossa ole toistaiseksi onnistunut. Pallosalaman magneettista kenttää koskeva mallikin voi olla väärässä, koska luonnollisia pallosalamoita ei ole juuri pystytty tieteellisesti tutkimaan.

Tutkija Mikko Möttönen pitää kuitenkin mahdollisena, että nyt luodusta kvanttipallosalamasta on apua luonnollisten ilmasähköilmiöiden salaisuuksien paljastamisessa.

Seuraavaksi plasmapalloja fuusioreaktoreiksi?

Kolmiulotteinen skyrmioni luotiin Amherst Collegessa kahden vastakkaiseen suuntaan pyörivän sähkövirran avulla. Aikaan saadun “kvanttiolennon” sähkömagneettiset solmut ovat lujia. Tämä on ominaisuus, jota voidaan kenties tulevaisuudessa hyödyntää fuusioreaktoreissa.

– Fuusioreaktorissa plasman koossa pitämiseen menee paljon energiaa, koska se vaatii voimakkaat magneettikentät. Jos voisimme tehdä plasmapalloja, joissa fuusioreaktio tapahtuu, niin emme tarvitsisi niin voimakkaita magneettikenttiä, ainakaan niin suurella alueella, Möttönen kaavailee.

Hollannissa tehtyjen simulaatioiden perusteella tällaiset plasmapallot olisivat paljon aikaisempia stabiilimpia.

– Eihän tämä meidän työ tietenkään mitään fuusioreaktoria ratkaise. Tämä on vain yksi tapa, jolla skyrmionin voi tehdä, mutta siitä voi saada vihiä, miten plasmapalloja voisi tehdä fuusioreaktorissa, tutkija toppuuttelee.

Möttösen ryhmän päätarkoituksena on oppia lisää kvanttimaailmasta. Käytännön sovellukset seuraavat usein paljon myöhemmin perässä.

Mutta soveltuisiko kolmiulotteinen skyrmioni kaksiulotteisen tavoin tallennustilaksi?

– Jos kaksiulotteista voi käyttää, niin miksi ei kolmiulotteistakin voisi käyttää muistina. Kaksiulotteinen on varmasti helpompi tehdä ja nähdä, kun se liikkuu tasossa. Mutta tietysti jos halutaan iso muisti, niin kolmiulotteisessa skyrmionissa informaatiota voisi liikutella myös ylä- ja alasuunnassa, ei pelkästään sivuille. Se voisi tehdä muistista monipuolisemman ja sitä kautta nopeamman, Möttönen pohtii.

Lue myös:

Kvanttiteknologian vallankumous kytee Otaniemessä

Joko olet tilannut Ylen tiedekirjeen? Tilaa tästä ja varmista, että huomaat kiinnostavimmat tiedeaiheet.