Arkielämästä on tuttua, että lämpö johtuu kiinteissä aineissa diffusiivisesti, eli satunnaisten törmäysten kautta suhteellisen hitaasti mutta tasaisesti joka suuntaan. Hyvin matalissa lämpötiloissa ja erittäin ohuissa materiaaleissa lämpö voi edetä aaltomaisesti eli koherentisti, jolloin se etenee yhteen suuntaan materiaalille ominaisella äänen nopeudella. Tällöin lämmön kulkeutumiseen voidaan vaikuttaa suoraan erilaisten aaltoilmiöiden kuten interferenssin ja resonanssin kautta.
Tutkimuksessa mitattiin lämmönjohtavuutta 300:n nanometrin paksuisessa piinitridikalvossa, jonka päälle oli valmistettu mikrometrin kokoluokan alumiinipilareista koostuva niin kutsuttu fononikide. Tämä on jaksollinen rakenne, joka vaikuttaa fononien, eli elastisten värähtelyjen (kuten lämmön) kvanttien etenemiseen. Mittaukset tehtiin lähellä absoluuttista nollapistettä alle kelvinin lämpötilassa, ja pilarifononikiteen havaittiin vähentävän kalvon lämmönjohtavuutta jopa kymmenesosaan. Tämä lämmönjohtavuuden lasku perustuu lokaali resonanssi -nimiseen ilmiöön. Mittaukset vastasivat myös hyvin koherenttiin teoriaan perustuvia simulaatioita. Pilareiden kokoa kasvatettaessa kuitenkin huomattiin, että tietyn koon jälkeen mittaustulokset eivät enää noudattaneet koherenttia teoriaa, vaan lämmön kulku muuttui diffusiiviseksi eli hiukkasmaiseksi.
Tutkimuksesta tekee merkittävän se, että tämä oli ensimmäinen kerta, kun lämmönjohtavuuden muokkaaminen aaltoilmiöillä pystyttiin osoittamaan kokeellisesti pilareita hyödyntävillä fononikiteillä. Aiemmin tässä on onnistuttu vain rakenteilla, joissa kide muodostuu kalvoon tehdyistä rei’istä.
Fononikiteiden potentiaalisimpia käyttökohteita on tiettyjen säteilynilmaisimien herkkyyden kasvattaminen. Jos ilmaisimen, joka toimii mittaamalla säteilystä aiheutuvaa lämpötilan muutosta, ympäristön lämmönjohtavuutta heikennetään, pystytään mittaamaan pienempi lämpötilan muutos eli matalamman energian hiukkanen, tai niiden pienempi määrä.
FM Tatu Korkiamäen väitöskirjan tarkastustilaisuus järjestetään perjantaina 20.11.2026 klo 12:00 Ylistönrinteen salissa KEM1. Vastaväittäjänä toimii Dr. Pierre-Olivier Chapuis (CETHIL - INSA de Lyon) ja kustoksena professori Ilari Maasilta (Jyväskylän yliopisto). Väitöstilaisuuden kieli on englanti.
Lisätietoa: tatu.a.s.korkiamaki@jyu.fi
