Ģ��ֱ��

FM Kalle Kansasen väitöstutkimus liittyy toiseen kvanttivallankumoukseen, jonka perusteita luodaan nyt.

Ensimmäinen kvanttivallankumous pohjautui aineen ominaisuuksien ymmärtämiseen. 1950-luvulta alkanut kehitys on tuonut ensin tietokoneet ja sittemmin älypuhelimet useimpiin suomalaiskoteihin mullistaen koko yhteiskunnan.

”Kvanttimekaniikan ytimessä on ajatus siitä, että aine käyttäytyy kuin aallot. 1900-luvun alkupuolella ajateltiin, että se on tärkeää lähinnä aineen pienimmille rakenneosille, atomeille ja niissä eleleville elektroneille. Viime vuosikymmenet ovat kuitenkin näyttäneet, että kvanttimekaniikalla ei ole kokorajaa”, Kansanen kertoo.

Kvanttimekaniikka on tehokasta mutta herkkää

Tällä hetkellä on käynnissä kilpajuoksu kohti toimivaa kvanttitietokonetta. Tällainen kone koostuu miljoonista ja taas miljoonista atomeista. Niiden jaettua aaltoluonnetta halutaan hyödyntää tavallisille tietokoneille vaikeiden ongelmien tehokkaaseen ratkaisuun. Puhutaan kvanttilaskennasta, jossa tieto on säilötty näihin aaltoihin.

Koossa on ongelmansa, sillä aineen aaltoluonne katoaa helposti. Aineen vuorovaikutukset lähiympäristöönsä hävittävät aalloissa olevan tiedon. Se on haaste kvanttitietokoneen rakentamisessa ja myös syy, miksei kvanttimekaniikka näy arjessa.

Teoriassakin on haastavaa kuvata kvanttimekaanisen aaltoluonteen katoamista. Se on edelleen tärkeä kysymys fysiikan perustutkimuksessa.

Kansasen väitöskirja luo ajankohtaisen katsauksen hybriditeknologioihin, jotka muodostuvat valon ja aineen vuorovaikutuksesta. Hänen tutkimuksensa keskittyy tällaisten kokonaisuuksien mallintamiseen.

Poikkitieteellinen tutkimus yhdistää fysiikan ja kemian

Osa Kansasen väitöskirjatutkimusta liittyy kemian kvanttiteknologiaan.

Tutkimus pureutuu siihen, voiko sähkömagneettisilla tyhjiökentillä muuttaa kemiaa.

Valon ajateltiin vielä 1900-luvun alkupuolelle asti kulkevan eetteri -nimisessä väliaineessa. Ajateltu eetteri ei kuitenkaan vastannut kokeita. Sen sijaan valo kulkee kaikkialla olevien sähkömagneettisten kenttien avulla. Kvanttimekaniikassa nämä kentät ovat olemassa ilman valoakin, jolloin puhutaan tyhjiökentistä. Ne vuorovaikuttavat aineen kanssa.

Useimmiten tämä vuorovaikutus on liian heikko aiheuttamaan havaittavia ilmiöitä. Sitä voidaan vahvistaa sulkemalla aine ja tyhjiökenttä metallin avulla pieneen alueeseen, ikään kuin hyvin pienen mikroaaltouunin sisään.

Ensimmäiset havainnot tyhjiökenttien vaikutuksesta kemiaan on saatu vuosikymmen sitten. Niitä ei edelleenkään ymmärretä.

''Se on pirullisen hankala ongelma, koska pitäisi ymmärtää valon ja aineen kvanttimekaniikkaa sekä kemiaa. Ja se on vasta lähtökohta”, Kansanen sanoo.

Huippututkimus syntyy yhdessä oivaltamisesta

Vielä vertaisarviotavana olevassa artikkelissaan Kansanen ja hänen väitöskirjatyönsä ohjaaja, professori Tero Heikkilä näyttävät, että kemiallisen reaktion molekyylit vuorovaikuttavat toisiinsa tyhjiökentän välityksellä. Tämä voi aikaansaada sen, että molekyylit toimivat yhdessä. Näin voitaisiin teoriassa hidastaa tai jopa estää kemiallisen reaktion tapahtuminen.

''Kun tajusin sen, olin ällistynyt. Se vaati aivojen asettamista oikeaan asentoon, missä en olisi onnistunut ilman Teroa, mutta sitten kaikki vain loksahti paikoilleen,'' kertoo Kansanen työnsä synnystä ja jatkaa:

''Meidän työmme on tietysti vain pieni osa tätä tarinaa, mutta aikanaan se voi mullistaa ymmärryksemme kemiasta. Sellaisessa on mukava olla mukana.''

---

FM Kalle Kansasen väitöskirjan ’’Open hybrid quantum systems’’ julkinen tarkastustilaisuus on 2.9.2022 kello 12 Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksen salissa FYS1.

Vastaväittäjänä on professori Göran Johansson (Chalmersin teknillinen yliopisto) ja kustoksena professori Tero Heikkilä (Jyväskylän yliopisto). Väitöstilaisuuden kieli on englanti.

Väitöskirjatutkimus on tehty Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksessa. Sitä ovat tukeneet taloudellisesti sekä Magnus Ehrnroothin säätiö että Suomen Akatemia.

Kalle Kansanen valmistui ylioppilaaksi 2012 Kangasniemen lukiosta sekä 2018 filosofian maisteriksi Jyväskylän yliopistosta.

Väitöskirja ’’Open hybrid quantum systems’’ on luettavissa JYX-julkaisuarkistossa: