Tutkimus

Professori Teemu Ojanen tutkii eksoottisia kvantti-ilmiöitä molemmat jalat tukevasti ilmassa

Tutkija nojaa kaiteeseen toimistotilassa.
Teemu Ojanen aloitti lokakuussa laskennallisen fysiikan professorina Tampereen yliopistossa. Kuva: Jonne Renvall / Tampereen yliopisto.
Tampereen yliopiston laskennallisen fysiikan tuore professori Teemu Ojanen puolustaa vimmalla perustutkimusta. Teoreettista tiiviin aineen fysiikkaa tutkivan Ojasen omien tutkimusten moottorina on halu selvittää maailmankaikkeuden mekanismeja ja sitä, miten tiedon avulla voitaisiin ratkaista ihmiskunnan haasteita.

Teemu Ojanen tutkii teoreettista tiiviin aineen fysiikkaa eli aineen ominaisuuksia, tarkemmin sanottuna kvanttiaineen topologisia ilmiöitä ja kvanttilomittumista. Topologiset aineet sisältävät esimerkiksi hiukkasen kaltaisia viritystiloja, jotka antavat aineille   eksoottisia makroskooppisia sähköisiä, magneettisia ja termisiä ominaisuuksia. Kvanttilomittuminen taas tarkoittaa sitä, että systeemin eri osat ovat sulautuneet eräänlaiseksi kollektiiviksi, jossa rakenneosat menettävät itsenäisen roolinsa. Esimerkiksi kvanttitietokoneiden toiminta perustuu tähän ilmiöön.

Skaalaltaan professori Ojasen tutkimusala on kaukana niin hiukkasfysiikasta kuin kosmologiastakin.

– Aineen ominaisuuksia voi tutkia autotallin kokoisessa laboratoriossa. Sen sijaan hiukkaskiihdyttimet voivat olla kymmenien kilometrien pituisia ja työllistää kymmeniä tuhansia ihmisiä. Myös tutkittavat ilmiöt ovat fantastisesti eri energiaskaalalla, Ojanen havainnollistaa.

Teorian tasolla nämä ääripäät ovat kuitenkin lähellä toisiaan. Kaikissa niissä tutkimuksen ytimenä on maailmankaikkeuden tapahtumien ymmärtäminen ja löydetyn tiedon hyödyntäminen nykymaailman moninaisten haasteiden ratkaisemisessa.

– Teoreettisen fysiikan kauneus ja ihanuus on siinä, että toisaalta hyvin kaukana toisistaan olevat ilmiöt ovat kuitenkin ihmismielen ajatuksen tasolla samanlaisia, hän muotoilee.

Kvanttimateriaaleista kvanttitietokoneita ja sähköä säästävää elektroniikkaa

Teemu Ojanen tutkii materiaaleja, jotka sisältävät eksoottisia ja epätavallisia kvantti-ilmiöitä ja ominaisuuksia. Hän uskoo, että tulevaisuudessa kvanttimateriaaleja voidaan hyödyntää monin tavoin. Kvanttiteknologiassa potentiaali on valtava.

– Kvantti-informaation näkökulmasta kiinnostavaa on, voiko kvanttitietokoneiden rakennepalikoita eli kvanttibittejä rakentaa kvanttimateriaaleissa esiintyvistä kvanttihiukkasista. Rakenteen tasolla esimerkiksi kvanttitietokoneet voisivat siis perustua kvanttimateriaaleihin, hän selvittää.

Kvanttimateriaaleilla on tavoiteltuja ominaisuuksia kuten hyvä sähkönjohtavuus ja magneettisuus. Niistä voisi rakentaa esimerkiksi elektroniikan komponentteja, joissa sähkö kulkee häviöttä. Suuret datakeskukset tuottavat sivutuotteenaan valtavasti lämpöä, joka huonoimmassa tapauksessa haihtuu harakoille. Kvanttimateriaalien ansiosta energiaa säästyisi merkittävästi.  

– Uusien materiaalioivallusten tuoma pienenkin prosentin parannus tarkoittaisi valtavia hyötyjä energiankulutukseen globaalisti, Ojanen tuumii.

Mahdollisuus läpimurtoihin on olemassa muttei varmaa

Tieteessä parhaita tuloksia ja toimivimpia sovelluksia on mahdoton ennustaa. Perustutkimuksessa myllätään kiinnostavia asioita ja ilmiöitä monelta kantilta – ja läsnä on aina mahdollisuus sekä läpimurtoon että epäonnistumiseen. Käytännön sovellutukset riippuvat hyvin tehdystä taustatyöstä eli juuri perustutkimuksesta.

Teemu Ojanen muistuttaa, että monet merkittävät keksinnöt, kuten internet, ovat syntyneet vahingossa. Läpimurtoja ei istuta alas tekemään, vaan mullistava teknologia tulee usein puskan takaa sivutuotteena.

– Esimerkiksi world wide web on hiukkasfysiikan perustutkimuksen sivutuote. Internet ei ollut tutkimuksen tavoite mutta syntyi, kun propellipäät fyysikot CERNissä halusivat järjestää keskinäisen kommunikaationsa tehokkaammin, hän kertoo.

– Omissa tutkimuksissani sovelluspotentiaali on vielä vankasti ilmassa. Toisaalta pidän äärimmäisen suurena ihmeenä, jos muutamien vuosikymmenien aikaskaalassa kvanttimateriaalit eivät olisi aivan keskeisessä asemassa huipputeknologian valmistuksessa, Ojanen pohtii.

Propellihattuprofessori pohti maailmankaikkeutta jo lapsena

Akateemisen maailman propellihattuosastolle itsensä sijoittava Teemu Ojanen kiinnostui fysiikasta jo alakoulussa. Lapsuuden perheessä oli insinöörejä ja suuntautuminen luonnontieteisiin siksi luontevaa. Myös populääritiede tavoitti pojan; kirjahyllystä löytyi niin Stephen Hawkingin teoksia kuin tähtitieteellisen seuran URSAn julkaisuja.

– Aloin pohtia suuria kysymyksiä jo tosi nuorena. Maailmankaikkeus ja oma paikka siinä mietitytti. Nyt koen, että voin hyvin tutkia myös konkreettisia ja arkisiakin asioita, Ojanen naurahtaa.

Tutkimustyö ja perhe – Ojanen on kahden pienen lapsen isä – täyttävät arjen juuri nyt.

– Minulla ei ole erityisiä ambitioita. Haluan vain tehdä mielenkiintoisia ja omaa viiteryhmääni kiinnostavia tutkimuksia. Välillä käyn pyöräilemässä ja pelaan mailapelejä. Ja luen tietenkin, faktaa, fiktiota ja sarjakuvia, se on minulle elämänasenne, Ojanen sanoo.

Tutkijan työ on Ojaselle pitkän tähtäimen hitaasti etenemistä, ikuista opettelua.

– Olen sellainen ihminen, etten pysty elämään pitkiä aikoja joutilaana, vaan koko ajan on pidettävä aivot kiireisenä, Ojanen sanoo.

Professuuri mahdollistaa intensiivisen tutkimisen

Teemu Ojanen teki diplomityönsä teoreettisesta fysiikasta Teknilliselle korkeakoululle (nyk. Aalto-yliopisto) vuonna 2003. Neljä vuotta myöhemmin hän väitteli tekniikan tohtoriksi kvantti-ilmiöistä mesoskooppisessa fysiikassa.

Väitöskirjansa jälkeen Ojanen työskenteli kaksi vuotta tutkijana Berliinissä Freie Universitätissä, sitten vuoden Yhdysvalloissa Harvardin yliopistossa, minkä jälkeen palasi Aaltoon. Vuonna 2018 hän siirtyi Tampereen yliopistoon professuuriin tähtäävälle urapolulle (tenure track). Teemu Ojanen nimitettiin 11.10.2021 laskennallisen fysiikan professoriksi Tampereen yliopiston Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekuntaan.  

Tampereella Ojasella on johdettavanaan Theory of Quantum Matter -tutkimusryhmä. Ryhmään kuuluu neljä tutkijaa, kaksi jatko-opiskelijaa sekä vaihtuva joukko diplomityön tekijöitä. Tutkimustyön ohella Ojanen luennoi kvanttimekaniikasta. Professuurilla on hänelle valtava merkitys.

– En voisi tehdä tutkimusta, jos en olisi professori! Tutkimus vie paljon aikaa, se on kokonaisvaltaista enkä pystyisi sitä tekemään kunnolla esimerkiksi opetustyön ohella. En tee tutkimusta vain omin käsin, vaan apunani ovat postdoc-tutkijat ja opiskelijat terävine aivoineen. Se on ratkaisevan tärkeää, Ojanen kehuu ryhmäänsä.

Tulevaisuudessa Teemu Ojasta kiinnostaa erityisesti kvantti-informaation, kvanttitietokoneiden ja kvanttisimulaatioiden teorian ja käytännön tutkiminen. Hän uskoo, että ensimmäisen sukupolven kvanttisimulaattorit ja –tietokoneet, jotka ovat juuri tulleet tutkijoiden käyttöön, kehittyvät huimasti   lähivuosina.

Tutkimusyhteistyötä Teemu Ojanen tekee mm. Aalto-yliopiston fysiikan laitoksen kanssa. Ojasen tutkimuksia ovat rahoittaneet Suomen Akatemia ja Helsinki Institute of Physics.

Lisätiedot

Teemu Ojanen
teemu.ojanen [at] tuni.fi

 

Teksti: Anna Aatinen
Kuva: Jonne Renvall

Aiheeseen liittyviä uutisia

Uusimmat uutiset kategoriassa Tutkimus

Uusimmat uutiset