Jyväskylän yliopiston tutkijat valottavat eksoottisiin kvanttimateriaaleihin perustuvien suprajohteiden käyttöä kvanttiteknologian komponenteissa

Jyväskylän yliopiston tutkijat selvittivät miten uudentyyppisistä tasovyösuprajohteista tehdyt kvanttielektroniikan komponentit toimivat, kun niiden yksittäiset elektronit ovat lähes paikalleen jähmettyneitä. Tutkijoiden mukaan elektronien väliset vuorovaikutukset mahdollistavat suprajohteiden elektroniparien kulun. Tutkimus auttaa paremmin suunnittelemaan näihin tasovyösuprajohteisiin perustuvia kvanttielektroniikan komponentteja. Teoreettinen tutkimus tehtiin yhteistyössä Jyväskylän yliopiston, Aalto-yliopiston ja Münchenin tutkijoiden kesken, ja siihen liittyvä kokeellinen työ lisäksi Stuttgartissa, Tsukubassa, Shenzenissä ja Hong Kongissa olevien tutkijoiden kesken. Se oli myös osa kansainvälistä SuperC-yhteistyöprojektia.

Julkaistu

12.12.2025

Kaksiulotteiset materiaalit mahdollistavat ennennäkemättömiä elektronitiloja

Kaksiulotteiset, atomikerroksiset materiaalit, kuten grafeeni ja sen moiré-rakenteet, mahdollistavat elektronien dispersion tarkan muotoilun. Erityisesti tasovyötilassa elektronien energia-nopeus -suhde lähes katoaa, jolloin kineettinen energia pienenee ja elektronien väliset vuorovaikutukset nousevat hallitseviksi.

“Tasovyömateriaalit tarjoavat meille mahdollisuuden kurkistaa kvanttivuorovaikutusten ääripäihin. Kun elektronien liike pysähtyy, vuorovaikutukset nousevat hallitseviksi, ja juuri silloin paljastuvat ilmiöt, joita ei tavallisissa materiaaleissa voida nähdä,” kertoo teoriaprojektia johtanut professori Tero Heikkilä Jyväskylän yliopistosta.

Tasovyöilmiöiden mahdollistamat uudet kvanttitilat

Tasovyömateriaaleissa elektroneilla on tapana järjestyä poikkeuksellisiksi kvanttitiloiksi: voimakkaat korrelaatiot voivat johtaa eristäviin, magneettisiin tai suprajohtaviin tiloihin. Viime vuosien aikana mm. kierretyt muutaman kerroksen grafeenirakenteet ovat osoittautuneet yllättävän rikkaiksi suprajohtavuuden laboratorioiksi.

Tasovyöt suprajohtavissa rajapinnoissa

Jyväskylän yliopiston tutkijoiden johdolla tehdyissä uusissa tutkimuksissa analysoidaan, miten tasovyöt muuttavat suprajohtavien Josephson-liitosten toimintaa. Tutkimus osoittaa, että tasovyöt tuottavat kvanttigeometrisiä vaikutuksia, jotka ilmenevät esimerkiksi poikkeavina Josephson-virtoina ja muokattuina Andreev-kuljetusprosesseina.

“On innostavaa huomata, että tasovyömateriaalien erityispiirteet muuttavat suprajohtavien rajapintojen käyttäytymistä tavalla, joka voi johtaa aivan uudenlaisiin kvanttilaitteisiin. Työmme osoittaa, että kvanttigeometrian kaltaisilla käsitteillä on konkreettinen vaikutus siihen, miten sähkö virtaa näissä järjestelmissä,” sanoo teoriatyöstä pääosin vastannut yliopistotutkija Pauli Virtanen.

Tasovyöt hiljentävät yksittäisten elektronien liikettä, mutta sallivat silti elektroniparien kollektiivisen suprajohtavan kuljetuksen. Tämä tekee niistä erityisen kiinnostavan testialustan kvanttielektroniikan perusilmiöille.

Kvanttimateriaaleista kvanttiteknologiaa

Tulokset tarjoavat esimerkin siitä, miten muokattavat kvanttimateriaalit voivat toimia perustana uudenlaisille kvanttilaitteille ja –tekniikoille. Jyväskylän yliopisto panostaa alaan vahvasti ja koordinoi vuosina 2026–2033 toimivaa kvanttimateriaalien huippuyksikköä, jonka tavoitteena on kehittää uusia kvanttilaitteita, -sovelluksia ja materiaaleja perustavanlaatuisen tieteen pohjalta.

P. Virtanen, R.P.S. Penttilä, P. Törmä, A. Díez-Carlón, D.K. Efetov, ja T.T. Heikkilä, Phys. Rev. B. 112, L100502 (2025)

A. Díez-Carlón, J. Díez-Mérida, P. Rout, D. Sedov, P. Virtanen, S. Banerjee, R.P.S. Penttilä, P. Altpeter, K. Watanabe, T. Taniguchi, S.-Y. Yang, K.T. Law, T.T. Heikkilä, P. Törmä, M.S. Scheurer, ja D.K. Efetov, Phys. Rev. X 15, 041033 (2025).