FM Elmeri Rivasto tutki väitöstutkimuksessaan korkean lämpötilan suprajohtavia ohutkalvoja. Tutkimuksessa onnistuttiin tehokkaasti optimoimaan materiaalien ominaisuuksia ja kehittämään suprajohtavia ohutkalvorakenteita, joita on mahdollista soveltaa eri aloille.
Suprajohteet ovat materiaaleja, joiden resistanssi, eli niiden kyky vastustaa sähkövirran kulkua, katoaa kun niitä jäähdytetään materiaalille ominaisen lämpötilan alapuolelle. Tämän ansiosta suprajohteet mahdollistavat laajan valikoiman sekä nykyisiä että potentiaalisia sovelluskohteita niin tekniikan kuin fysiikan perustutkimuksenkin saralta. Näihin lukeutuvat esimerkiksi kvanttiteknologia, fuusioreaktorit, pimeän aineen tutkimus ja hiukkaskiihdyttimet.
Suprajohteisiin liittyvät sovellukset on aikaisemmin tyypillisesti kehitetty materiaaleilla, jotka vaativat hyvin matalan lämpötilan. Niitä on voitu valmistaa helposti muotoiltavista ja käsiteltävistä metallimateriaaleista, mutta niiden vaatima tehokas jäähdytys on rajoittanut sovellusten laajempaa hyödyntämistä.
Väitöstutkimuksessaan Rivasto tutki materiaaleja, jotka liittyvät hyvin erikoiseen suprajohtavuuden osa-alueeseen, eli korkean lämpötilan suprajohteisiin. Suprajohtavuus esiintyy näissä materiaaleissa poikkeuksellisen korkeassa lämpötilassa, noin −180 °C:ssa.
– Tyypilliselle matalan lämpötilan fysiikan tutkijalle tämä vastaa huoneenlämpötilassa tehtävän tutkimuksen suorittamista kuumassa saunassa. Tästä juontaa kenties harhaanjohtava nimitys “korkean lämpötilan” suprajohteesta. Näiden suprajohteiden etu on se, että niille riittää vähäisempi jäähdytys ja niitä voidaan jäähdyttää helposti nestetypellä. Ongelma kuitenkin on, että materiaalit eivät ole metallisia, joten niistä on vaikeampaa kehittää toimivia sovelluksia. Kehitys on kuitenkin jo tullut niin pitkälle, että on voitu alkaa tehdä yhä enemmän sovelluksia, esimerkiksi korkean lämpötilan suprajohdemagneetteja, jotka ovat erityisen tärkeitä fuusioreaktoreissa, Rivasto kertoo.
Materiaalien tehohäviöt aiheuttavat haasteita optimoinnille
Korkean lämpötilan suprajohteille on ominaista se, että ulkoinen magneettikenttä hajaantuu niiden sisällä yksittäisiksi vortekseiksi, jotka ovat pieniä virtauspyörteitä, joilla on kullakin oma pieni magneettivuo. Ne ovat kuin materiaalin läpi kulkevia magneettikenttäpylväitä.
– Vorteksit ovat suurin haaste, kun korkean lämpötilan suprajohdemateriaaleja halutaan käyttää etenkin korkeassa magneettikentässä. Kun suprajohtava ohutkalvo halutaan laittaa magneettikenttään, materiaaliin muodostuu vortekseja, jotka virran käynnistäminen saa liikkeelle. Vorteksien liike saa aikaan tehohäviöt suorajohtavasta tilasta huolimatta, Rivasto sanoo.
Väitöstutkimuksessaan Rivasto syventyi tutkimaan vorteksien monimutkaista dynamiikkaa korkean lämpötilan suprajohtavissa ohutkalvoissa ja tutki erityisesti ohutkalvojen rakenteen optimointia. Suprajohtaviin ohutkalvoihin laitettiin tarkoituksella tiettyjä epäpuhtauksia, jotka lukitsevat vorteksit paikoilleen virran kulkiessa materiaalin läpi. Näin voitiin parantaa materiaalien ominaisuuksia etenkin korkeissa magneettikentissä.
– Haaste on, että mitä enemmän epäpuhtauksia materiaaliin laitetaan, niin alemmalla magneettikentällä materiaalin ominaisuudet taas huononevat. Optimointia tarvitaan erityisesti siksi, että saadaan mahdollisimman hyvät ominaisuudet sekä matalilla että korkeilla magneettikentillä. Tätä varten tutkimuksessa kehitettiin monikerrosohutkalvorakenteita, jotka mahdollistavat ohutkalvojen optimoimisen, Rivasto sanoo.
Tutkimus tarjoaa syvempää ymmärrystä vorteksien ja erilaisten kidevirheiden välisestä vuorovaikutuksesta, sekä näiden yhteisvaikutuksesta ohutkalvojen suprajohtaviin ominaisuuksiin. Tutkimuksessa hyödynnetyt simulaatio- sekä tekoälymallit ovat mahdollistaneet monikerrosohutkalvorakenteiden tehokkaan optimoimisen parantaen huomattavasti kyseisten materiaalien sovellettavuutta eri aloille.
***
FM Elmeri Rivasto esittää väitöskirjansa ”Vortices and Artificial Defects in High-Temperature Superconducting Thin Films” julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa torstaina 29.6.2023 klo 12.00 (Turun yliopisto, Natura, XXI, Turku).
Vastaväittäjänä toimii professori Amit Goyal (State University of New York, USA) ja kustoksena professori Petriina Paturi (Turun yliopisto). Tilaisuus on englanninkielinen. Väitöksen alana on fysiikka.
Väitöskirja yliopiston julkaisuarkistossa
