Kylmäfysiikkaa elektronisilla nanojäähdyttimillä
28.5.2010
Nanorakenteita ja nanomittakaavan tekniikkaa voi hyödyntää myös jäähdytystekniikoiden kehittämisessä. ”Vaihtoehtoisten jäähdytystekniikoiden tutkiminen ja kehittäminen on ajankohtaista, koska nykyisin jäähdyttämiseen käytössä oleva nestemäinen helium on paitsi kallista myös katoava luonnonvara”, perustelee nanojäähdyttimiä kehittävä professori Jukka Pekola.
Professori Jukka Pekola johtaa tutkimusryhmäänsä tällä hetkellä Aalto-yliopiston Kylmälaboratoriossa. Nanofysiikkaa ja -elektroniikkaa pienissä mittakaavoissa hän on tutkinut jo usean vuoden ajan muun muassa akatemiaprofessorikaudellaan Jyväskylän yliopistossa. Pekola on ryhmineen kehittänyt esimerkiksi yksieletronitransistorin ideaan pohjautuvan absoluuttisen lämpötilan mittarin ja elektronipumpun sekä suprajohtavuuteen perustuvan nanojäähdyttimen.
”Tavoitteena uusien jäähdytystekniikoiden kehittämisessä on saada matalien lämpötilojen edut käyttöön vaivattomasti. Kryo-jäähdytintekniikat ovatkin kehittyneet huimasti viime vuosina. Matalista lämpötiloista on hyötyä anturitekniikassa ja siksi uusia menetelmiä kannattaa kehittää.”
Elektronisia jäähdyttimiä voidaan käyttää esimerkiksi säteilynilmaisimissa ja avaruusteknologian sovelluksissa.
Nanorakenteet sopivat elektroniseen jäähdyttimen käyttöön hyvin siksi, että niissä sähkövirran tiheys on riittävä ja jäähdytettävät kappaleet pieniä.
Uutta tietoa lämmönsiirrosta nanorakenteissa
Nanojäähdytintä on kehitetty edelleen myös eurooppalaisessa nanotieteen ERA-NET -hankkeessa, johon myös Suomen Akatemia ja nanotieteen tutkimusohjelma osallistuivat. Pekolan ryhmä on ollut mukana kansainvälisessä konsortiossa, joka on paneutunut nanoelektroniikkaan liittyviin perusilmiöihin matalissa lämpötiloissa.
”Eurooppalaiset tutkimusryhmät ovat olleet kiinnostuneita nanojäähdyttimestä ja nanotekniikkaan perustuvista vaihtoehtoisista jäähdytintekniikoista jo noin vuosikymmenen ajan. Ryhmät Grenoblesta, Pisasta ja Hollannin Delftistä muodostivat ERA-NET-hankkeeseen hyvän ryhmän”, Pekola kertoo. Hän työskenteli itse vuoden CNRS:ssä Grenoblessa akatemiaprofessorikaudellaan ja yhteistyö ryhmän kanssa on jatkunut siitä asti.
Ryhmät täydensivät hyvin toisiaan, vaikka yhteisiä piirteitäkin niillä on. ”Kaikissa ryhmissä on vahvaa kokeellista osaamista. Grenoblen ryhmä on tutkinut suprajohde-metalli -hybridien eri ominaisuuksia. Meillä on Kylmälaboratoriossa jäähdytyksen alalta pitkä historia ja uusia ideoita, ja sillä puolella menimmekin harppauksella eteenpäin. Pisassa on hyvä tuntemus puolijohteista ja erinomainen prosessointilaitteisto ja Delftissä puolestaan materiaaliosaamista ja pyrkimystä ilmaisinsovelluksiin.”
 |
|
Jatko-opiskelija Ville Maisi Mittatekniikan keskuksesta työskentelee Jukka Pekolan ryhmässä. Maisi tutkii prosesseja, jotka aiheuttavat virheitä yksittäisten elektronien siirrossa: jäähdytyksen ansiosta elektronit liikkuvat matalissa lämpötiloissa kontrolloidummin. |
Eurooppalaisessa yhteistutkimuksessa paneuduttiin erityisesti siihen, miten lämpö siirtyy nanorakenteissa. Tästä tutkimuksessa saatiin uutta tietoa.
”Lämmön siirtymiseen liittyy useita eri mekanismeja ja kun mennään erittäin mataliin lämpötiloihin, on tärkeässä roolissa muun muassa fotonien välittämä lämmönsiirto. Myöskin yksittäisillä elektroneilla voidaan siirtää lämpöä. Perinteisesti asiaa ei ole tutkittu yksittäisen elektronin näkökulmasta,” Pekola tiivistää. Yksittäisten elektronien siirtämää lämpöä käytetään hyväksi muun muassa metrologisessa yksittäisten elektronien kääntöportissa, jota kehitetään Kylmälaboratoriossa yhdessä mittatekniikan keskuksen kanssa.
Kansainvälinen yhteistyö poiki lisähankkeita
Jukka Pekolan oma kiinnostus tutkimusaiheeseen juontaa innostuksesta nanoelektroniikkaan ja kylmäfysiikkaan. Hän on kiinnostunut siitä, miten perinteinen jäähdytystekniikan tutkimus yhdistyy nanoelektroniikan tutkimukseen. Kyseessä on tutkimuksen kentässä niché-alue, jota tutkitaan maailmallakin vain muutamissa ryhmissä. Eurooppalaisten joukossa on Pekolan ryhmän lisäksi Ilari Maasillan ryhmä Jyväskylän yliopistossa. Yhdysvalloissa kuuluisin ryhmiä työskentelee NISTissä. Suomalaiset ovat alan tutkimuksen kapealla saralla johtavia tutkijoita.
Tänä vuonna päättynyt EU-rahoitteinen yhteistutkimus poiki paljon jatkotutkimuksia ja avasi suomalaistutkijoille myös uusia yhteistyömahdollisuuksia. Sama konsortio on nyt saanut lisää EU-rahoitusta ja uutta tutkimusta koordinoi Kylmälaboratorio. ”Uuteen konsortioon on tullut mukaan soveltajaryhmiä entisten lisäksi. Tutkimme säteilyilmaisimien ja suprajohtavien kvantti-informaatiolaitteiden liittämistä suoraan täsmäjäähdyttimeen.”
 |
|
”Tavoitteena uusien jäähdytystekniikoiden kehittämisessä on saada matalien lämpötilojen edut paremmin käyttöön. Elektronisia jäähdyttimiä voidaan käyttää esimerkiksi suprajohtavan elektroniikan, kvantti-informaatiolaiteiden, säteilynilmaisimien ja avaruusteknologian sovelluksissa”, Jukka Pekola kertoo. |
Pekola kertoo, että tavoitteena on selvittää myös kysymyksiä liittyen nanorakenteen käsitteeseen ja siihen miten lämpötila kulloinkin määräytyy – perustavanlaatuisia kysymyksiä, siis.
Myös brittitutkijoiden kanssa on saatu aikaan uutta yhteistyötä. Aalto-yliopiston ja VTT:n tutkijat ovat tässä hankkeessa ainoita ulkomaisia kumppaneita.
Sähkövirralle uusi standardi
Parhaillaan nanofysiikan ja -elektroniikan tutkimusalat kehittyvät vauhdilla. Jukka Pekolan mukaan muun muassa metrologinen suuntaus eli mittauksia käsittelevä tieteenala on vahvistumassa. Pekolan tutkimusryhmä onkin onnistunut kehittämään tähän liittyen nanoteknologian keinoin toteutetun yhden elektronin hybriditransistorin, joka toimii tarkkana ja yksinkertaisena elektronien kääntöporttina.
Tämän taajuus-sähkövirta -muuntimen tutkimuksen tavoitteena on saada aikaan uusi menetelmä sähkövirran suuruuden ja sen yksikön ampeerin määrittämiseksi. ”Uutta määritelmää on haettu jo 1980-luvulta alkaen. Jännitteelle ja resistanssille uudet määritelmät ovat jo löytyneet, mutta sähkövirralle se ei ole vielä onnistunut. Kansainvälinen metrologiayhteisö on asettanut tavoitteeksi määritellä sähkövirralle uuden normaalin vuoteen 2015 mennessä”, Jukka Pekola kertoo.
Teksti: Riitta Tirronen
Kuvat: Olli Häkämies