Kvanttiarvet antavat vauhtia elektroneille ja mikropiirien kehitykselle

Kvanttimekaniikka kuvaa aineen ja energian käyttäytymistä pienissä mittakaavoissa, joissa näyttää hallitsevan sattumanvaraisuus. Näennäisen kaoottisissa järjestelmissä voi kuitenkin piillä järjestystä. Tällaisia ovat kvanttiarvet eli alueet, joissa elektronit kulkevat mieluummin tiettyjä reittejä pitkin sen sijaan, että ne levittäytyisivät tasaisesti.

Tampereen ja Harvardin yliopistojen tutkijat ovat jo aiemmin osoittaneet Quantum Lissajous Scars -tutkimusartikkelissaan, että kvanttiarvet voivat muodostua vahvoina ja selkeinä nanorakenteissa ja niiden muotoa voidaan jopa kontrolloida. Nyt Tampereen yliopiston fysiikan yksikön Quantum Control and Dynamics -tutkimusryhmä vie löydöt pidemmälle. Uudessa tutkimusartikkelissaan he osoittavat, että kvanttiarvet tehostavat merkittävästi elektronivirtaa avoimissa kvanttipisteissä, jotka on kytketty elektrodeihin. 

– Näytämme, että epätäydellisyydet voidaan muuttaa toiminnallisuudeksi. Arpeutuneet tilat voivat itse asiassa parantaa elektronien virtausta, toteaa artikkelin pääkirjoittaja, väitöskirjatutkija Fartash Chalangari.

Kun elektronien virtaus paranee, voidaan nanoskaalan eli metrin miljardisosien komponentissa johtaa sähköä. Näin arpea voidaan käyttää nanoskaalan kytkimenä, kuten uudenlaisena transistorina. Näin saadaan osia tulevaisuuden pieniin ja tehokkaisiin mikropiireihin.

Tulokset avaavatkin tietä kohti niin sanottua "arpitroniikkaa", jossa nanoskaalan komponenttien johtavuutta ohjataan kvanttiarpien avulla. Ilmiöstä on jo saatu grafeenisysteemien kohdalla kokeellisia todisteita tutkimuksessa, jossa oli mukana Harvardin yliopiston tutkijatohtori Joonas Keski-Rahkonen. Hän on mukana myös nyt julkaistussa tutkimuksessa.

– Kvanttiarvet ovat yllättävä ja vaikuttava esimerkki siitä, miten järjestys voi nousta kaaoksesta. Pyrimme nyt viemään löydöksiä kohti käytännön sovelluksia. Tehokkaiden mikropiirien kehittämisen lisäksi tulokset voivat auttaa myös suunnittelemaan uudenlaisia kubitteja kvanttitietokoneisiin, mutta siihen on vielä matkaa, sanoo tutkimusryhmän vetäjä, professori Esa Räsänen.

Tutkimusta ovat tukeneet Suomen Akatemia, CSC – Tieteen tietotekniikan keskus sekä U.S. National Science Foundation.

Tutkimusartikkeli Variational Scarring in Open Two-Dimensional Quantum Dots julkaistiin Physical Review B -tiedelehdessä 17.9.2025. Lehti valitsi tutkimuksen Highlight-artikkeliksi. Tutustu artikkeliin