Kvanttipisteet antavat lisäpotkua elektroniikkaan. Ne lupaavat luonnollisempaa led-valoa, nopeampaa tiedonsiirtoa ja terävämpiä kännykkäkuvia.

Teksti: Petri Forsell

Kvanttipiste on päällisin puolin yksinkertainen laite: pääosin piistä tehty ulkokuori ja sisäpuolella joitakin elektroneja. Kvanttipiste on myös hyvin pieni: tämän lauseen lopussa oleva piste on 5 000 kertaa suurempi kuin kvanttipiste. Se kätkee kuitenkin sisäänsä paljon, sillä kvanttipisteen avulla voi hallita elektroneja ja niiden ominaisuuksia. Kvanttipisteen valmistamiseksi levitetään ensin useita kerroksia piiatomeja. Noin kymmenen kerroksen jälkeen tehdään kerros, jossa samankokoiselle pinnalle pakotetaan enemmän atomeja. Kun tilaa ei saa sivuilta, ylin piikerros rypistyy ja siihen syntyy onkaloita eli kvanttipisteitä. Onkalot ovat pienen pieniä, enintään tuhansien atomien kokoisia. Onkalon sisälle voi vangita yhden tai useampia elektroneja sen mukaan, mihin tarkoitukseen sitä haluaa käyttää. Samoin kuin atomit saavat ominaisuutensa sen mukaan, kuinka monta elektronia niiden ytimen ympärillä on, kvanttipisteen luonne riippuu sen sisältämien elektronien määrästä. Yhden elektronin piste vastaa vetyatomia, 79 elektronia sisältävä kultaa.

Valoa kansalle

Kvanttipisteistä voi ehkä joskus koostaa aivan uusia aineita, niin sanottuja design-atomeja. Tätä nykyä niitä käytetään yleisimmin valoon ja optiikkaan liittyvissä sovelluksissa.Kun pisteen sisältämä elektroni saa energiaa ulkopuolelta – vaikka kännykän akusta – elektroni imaisee sen ja virittyy korkeampaan energiatilaan. Hetken päästä hiukkanen palaa alempaan energiatilaansa ja luovuttaa ylimääräisen energian pois sähkömagneettisena säteilynä. Energiatilan muutoksen ansiosta kvanttipiste voi tehdä kaikkea mitä puolijohteet yleensäkin tekevät: ohjata tietokonetta, televisiota tai vaikka rannekelloa. Optiseen käyttöön pisteet soveltuvat luonnostaan. Kvanttipisteen säteilyn saa helposti näkyvän valon alueelle pisteen kokoa säätämällä. Valolla on erilaisia aallonpituuksia: pitkät valoaallot ovat punaisia ja lyhyet sinisiä. Iso kvanttipiste tuottaa siten punaista valoa ja pieni sinistä. Kaikki muutkin värit saa näkyviin valitsemalla sopivan kokoisen pisteen.

Ensimmäiset kaupoissa

Kvanttipisteen keksi pietarilainen Aleksei Ekimov 1980-luvulla. Ensimmäiset kaupalliset sovellukset, biologiset merkintäaineet, tulivat myyntiin 2002. Petrimaljassa lilluvan solun sisään sujautettu kvanttipiste on erinomainen markkeri, sillä erikokoiset pisteet säteilevät erivärisiä valoja eivätkä ne hevin hajoa biologisissa prosesseissa.Nyt kvanttipisteet ovat tuloillaan kulutuselektroniikkaan. Ensimmäiset sovellukset ovat jo kaupan hyllyillä led-lampuissa. Tavallisen valkoisen ledin valo on monen mielestä kalseaa. Se johtuu siitä, että valkoisuus tuotetaan päällystämällä sininen led-valo fosforikerroksella. Kun fosforin atomit virittyvät, ne säteilevät kelta-oranssia valoa, joka sinisen kanssa sekoittuessaan tuottaa tuon kylmänvalkoisen sävyn. On tosin olemassa fosforeja, joiden avulla sävy saadaan varsin lähelle hehkulampun sävyä, mutta silloin led menettää noin kolmanneksen tehostaan.Jos sinisen ledin päällystää kvanttipisteillä, päästään lähes samaan värilämpöön kuin hehkulampulla, ja sähköäkin säästyy: yksi watti sähköä tuottaa viisinkertaisen valomäärän hehkulamppuun verrattuna. Taloudellisen hyödyn arvioimista hankaloittaa lamppujen hinta: 40 watin hehkulamppua vastaava kvanttipisteled maksaa noin sata euroa.

Kamerapuhelin tarkaksi

Silmää miellyttävä ja lompakolle ystävällisempi sovellus on tulossa matkapuhelimien kameroihin. Kännykkäkameran kuvahan on usein melko suttuinen. Se ei ole mikään ihme, sillä kuva muodostuu sensorissa, joka sijoitetaan kauas linssistä, useiden metalli-, johto- ja transistorikerrosten ja värisuodattimen alle. Vain noin puolet linssin kokoamasta valosta pääsee perille sensorin piilastuun asti. Parannusta on luvassa, kun niin sanottu kvanttifilmi saadaan käyttöön. Kvanttifilmin toiminta perustuu siihen, että kvanttipisteet toimivat eri tavalla kuin luonnolliset atomit. Kun tavallisen kameran sensorin piiatomin elektronit virittyvät korkeampaan energiatasoon, ne hyppäävät ikään kuin liikkuvaan junaan ja käyttävät osan energiastaan sivuliikkeeseen. Kvanttipisteen elektronit loikkaavat suoraan.Värisuodattimen alle pantuna kvanttipistefilmi lähes tuplaa kuvakennoon tulevan valon määrän. Lisäksi kvanttipisteet pystyvät muuttamaan valon suoraan sähköksi ja lähettämään sen prosessoriin. Lopputuloksena on kirkkaammat ja terävämmät kuvat. Eikä edes maksa paljon: kunhan massatuotanto saadaan käyntiin, ovat kvanttipistekamerat yhtä halpoja kuin nykyiset kännyköiden kamerat.

Markkinat kasvavat

Kvanttipisteiden käyttöä on jarruttanut niiden kalleus: grammahinta on 2 500–8 500 euroa. Uudet ja jo osin käytössä olevat tekniikat saattavat lähivuosina painaa hinnan alle 10 euroon grammalta. Kvanttipisteiden markkinoiden lasketaankin yli 25-kertaistuvan vuoteen 2013 mennessä.Hinnan laskiessa kvanttipisteet tulevat käyttöön myös laitteissa, joissa niitä tarvitaan enemmän kuin hippunen. Yksi sovellus on laser, jossa metallikerrosten välissä on kvanttipisteitä kuin hilloa täytekakussa. Kun kerroksiin johdetaan sähkövirta, kvanttipisteet tuottavat vakaan ja tehokkaan lasersäteen. Valokuitukaapelissa vipeltävä laservalo pystyy entistä nopeampaan tiedonsiirtoon, koska hukkalämpöä ja häiriöitä on vähemmän kuin nykyisissä puolijohdelasereissa.Myös aurinkokennot kannattaa pippuroida halvoilla kvanttipisteillä. Uudenlaiset kennot pystyvät käyttämään hyväkseen valon koko kirjon, myös infrapunan ja ultravioletin. Lisäksi kvanttipisteet haravoivat tehokkaasti pilvisen taivaan hajavaloa.

Seuraavaksi muistit

Optisten ja valosähköisten keksintöjen jälkeen lienevät vuorossa muistit. Tietokoneiden työmuisti on nykyisin kovin lyhyt: se on virkistettävä ainakin sata kertaa sekunnissa. Flash-varastomuisti taas on elektroninen norsu, sillä tieto säilyy siinä vuosia ilman virkistystä mutta liikkuu kömpelösti, noin tuhat kertaa työmuistia hitaammin.Kvanttipisteistä on rakennettu kokeellisia muisteja, jotka yhdistävät nopeuden ja kestävyyden. Samalla tavalla voisi parantaa prosessorejakin, sillä kvanttipiste toimii myös transistorina. Viuhuvan nopeita pisteitä on kuitenkin vaikea kytkeä toisiinsa, koska johtimia ei voi kutistaa mielin määrin. Jos johdin on kapeampi kuin noin viisi elektronin leveyttä, elektroni karkaa siitä kvanttimekaanisen epätarkkuuden vuoksi. Elektroni on myös aalto, se ikään kuin hoipertelee ojan pohjalla, ja jos oja on liian kapea, se harppaa sieltä pois.Yritys on silti kova, koska kvanttipisteet ovat yksi lupaavimmista ehdokkaista tulevaisuuden tietokoneiden perustaksi. Onhan kvanttipiste tarpeeksi pieni, jotta sen voi saada lomittuneeseen kvanttitilaan. Silloin aletaan olla jo kosketusetäisyydellä kvanttitietokoneesta.

Julkaistu Tiede -lehdessä 7/2011

Hyvä harrastus – ja helppo. Lukemista löytyy aina. Kuva: Shutterstock

Kieli rikastuu, ajattelu syvenee ja sosiaalinen taju kehittyy.

Tietokirjan järki on selvä: saa tietoa, jolla jäsentää maailmaa ja vaientaa mutuilijat. Riittävästi tietoa hankkimalla tulee asiantuntijaksi, ja sillä on selvä hyötyarvo.

Entä missä on fiktion lukijan tulosvastuu? Mitä itua on kuluttaa aikaansa tuntitolkulla hatusta vedettyjen ihmisten hatusta vedettyihin edesottamuksiin? Paljonkin: romaani tai novelli opettaa toimimaan muiden ihmisten kanssa.

Fiktio simuloi sosiaalista maailmaa, esittää asiaa tutkinut Toronton yliopiston psykologian professori Keith Oatley. Niin kuin lentosimulaattori opettaa lentotaitoja, sosiaalisten tilanteiden simulaattori – romaani – opettaa sosiaalisia taitoja.

Kokeet vahvistavat, että fiktiota lukeneet tajuavat paremmin so­siaalisia kuvioita kuin tietotekstiä lukeneet. 

Suvaitsevaisuus kasvaa

Kuvitteellisesta tarinasta on sekin ilo, että pääsee väliaikaisesti jonkun toisen nahkoihin. Samastuminen tarinan henkilöön voi muuttaa lukijan käyttäytymistä ja pistää asenteet uusiksi, ovat kokeillaan osoittaneet Ohion yliopiston tutkijat.

Samastumisella on vaaransa. Romaanin aiheuttama itsemurha-aalto koettiin 1700-luvun lopulla, kun nuoret onnettomat miehet matkivat Johan Wolfgang von Goethen päähenkilön tekoa Nuoren Wertherin kärsimyksissä.

Ohiolaistutkimuksessa vaikutus oli rakentavampi: kun nuoret aikuiset olivat lukeneet tarinan miehestä, joka meni äänestämään, he menivät hanakammin vaaliuurnille vielä viikon kuluttua lukemisesta. He olivat saaneet kansalaishyvetartunnan.

Valkoihoisten suvaitsevaisuutta taas kasvattivat tarinat, joissa päähenkilö osoittautui homoseksuaaliksi tai afroamerikkalaiseksi. Lukijoilta karisi myös stereotypioita. Tämä kuitenkin edellytti, että päähenkilön ”erilaisuus” paljastui vasta tarinan myöhemmässä vaiheessa ja lukijat olivat ehtineet asettua hänen nahkoihinsa.

Stressi väistyy

Kun uppoutuu lukemaan, maailman meteli jää kauas ja paineet hellittävät. Tuttu tunne, josta on myös tieteelliset näytöt: lukeminen poistaa stressiä.

Terveystieteen opiskelijat saivat Yhdysvalloissa tehdyssä tutkimuksessa lukeakseen netistä ja aikakauslehdestä poimittuja artikkeleita, jotka käsittelivät historiallisia tapauksia ja tulevaisuuden innovaatioita. Aihepiirit olivat siis kaukana tenttikirjojen pakkolukemistosta.

Puolentunnin lukutuokio riitti laskemaan verenpainetta, sykettä ja stressin tuntua. Huojennus on yhtä suuri kuin samanpituisella joogahetkellä tai televisiohuumorin katselulla. Mikä parasta, apu löytyy helposti, lukemista kun on aina saatavilla.

Sanasto karttuu

Kirjoitettu kieli on ylivoimaisesti suurempi uusien sanojen lähde kuin puhuttu. Erot lasten sanavaraston runsaudessa voi johtaa suoraan siihen, miten paljon he altistuvat erilaisille teksteille, vakuuttavat lukemisen tutkijat Anne Cunningham ja Keith Stanovich.

Tiuhimmin uutta sanastoa kohtaa tieteellisten julkaisujen tiivistelmissä: tuhatta sanaa kohti harvinaisia on peräti 128. Sanoma- ja aikakauslehdissä harvinaisten sanojen tiheys nousee yli 65:n ja aikuisten kirjoissa yli 50:n.

Lastenkirjakin voittaa sanaston monipuolisuudessa televisio-ohjelman mennen tullen. Lapsilukija kohtaa kirjassa yli 30 harvinaista sanaa tuhatta kohti, kun aikuisten telkkariviihdettä katsoessa niitä tulee vastaan 23 ja lastenohjelmissa 20.

Juttelukaan ei pahemmin kartuta sanavarastoa. Aikuispuhe sisältää vain 17 epätavallista sanaa tuhatta kohti.

Syntyy omia ajatuksia

Ihmisen aivoja ei ole ohjelmoitu lukemaan. Kun taito kehittyi 5 500 vuotta sitten, näkemiseen, kuulemiseen, puhumiseen ja ajatteluun rakentuneet alueet alkoivat tehdä uudenlaista yhteistyötä.

Nyt olemme jälleen uudenlaisen lukukulttuurin alussa. Verkkolukeminen on tullut jäädäkseen, ja jotkut pelkäävät, että tyhmistymme, kun totutamme aivomme ärsyketulvaan ja pikaselailuun netissä. Tiedonvälitys on lisääntynyt räjähdysmäisesti mutta niin myös häly.

Syventyvän lukemisen kohtalosta kantaa huolta professori Maryanne Wolf Tufts-yliopistosta. Tapaa näet kannattaisi vaalia. Aivokuvaukset paljastavat, että paneutuva lukija käyttää laajasti molempia aivopuoliskojaan. Hän ei vain vastaanota kirjoittajan sanomaa vaan vertaa sitä aiemmin hankkimaansa tietoon, erittelee sitä ja rakentaa omaa ajatteluaan. Pintalukijalla ei tähän ole aikaa.

Mikko Puttonen on Tiede-lehden toimittaja.

Julkaistu Tiede-lehdessä 12/2012 

Täysin raittiiden suomalaisnuorten osuus on moninkertaistunut vuosituhannen alusta.

Nuoruus raitistuu, kertoo Helsingin Sanomat jutussaan.

Nuorten alkoholin käyttö kasvoi vuoteen 1999, joka oli myös kaikkein kostein vuosi. Silloin vain joka kymmenes yhdeksäsluokkalainen ilmoitti, ettei ollut koskaan käyttänyt alkoholia.

Sittemmin täysin raittiiden osuus on moninkertaistunut, ilmenee vuoteen 2015 ulottuneesta eurooppalaisesta, nuorten päihteidenkäyttöä käsittelevästä Espad-tutkimuksesta.

Jopa muut eurooppalaiset jäävät jälkeen. Suomessa täysin raittiita 15–16-vuotiaista nuorista on joka neljäs, kun Euroopassa heitä on keskimäärin joka viides.

Terveyden ja hyvinvoinnin laitoksen THL:n erikoistutkija Kirsimarja Raitasalo kollegoineen on ­koettanut tunnistaa niitä nuoruuden muutoksia, jotka voisivat selittää humalan hiipumista.

Ratkaisevaa näyttää olleen ainakin se, että alaikäisten on yhä vaikeampi saada alkoholia. Nykynuoret kokevat sen selvästi hankalammaksi kuin aiemmat ikäpolvet.

Kauppojen omavalvonta on osaltaan tehonnut. Kassoilla kysytään kaikilta alle 30-vuotiaan näköisiltä papereita.

Vanhemmat ja muutkin aikuiset ovat tiukentaneet asenteitaan nuorten juomiseen.

”Tietoisuus alkoholin haitoista on ehkä lisääntynyt. On tullut paljon tutkimustietoa esimerkiksi siitä, miten alkoholi vaikuttaa nuorten aivojen kehitykseen”, Raitasalo pohtii.

Nuorten omakin maailma on muuttunut toisenlaiseksi. Älylaitteet, pelit ja sosiaalinen media kyllästävät arkea. Pussikaljoittelu joutuu kilpailemaan monen muun kiinnostavan ajanvietteen kanssa ja on ehkä osittain hävinnyt niille.

Juovuksissa olemisesta on ehkä tullut myös tyylirikko. Nuoret eivät enää näytä arvostavan kännissä örveltämistä.

Kysely

Mikä mielestäsi raitistaa nuoria?

Neutroni
Seuraa 
Viestejä25799
Liittynyt16.3.2005

Viikon gallup: Mikä mielestäsi raitistaa nuoria?

Käyttäjä4809 kirjoitti: Eiköhän syy ole -90 luvulla alkaneen laman menetetyt työpaikat ja samalla supistettu koulutus, minkä seurauksena vuodestä -99 alkaen vanhemmilla ei enää ole ollut niin paljon rahaa annettavaksi nuorisolle. Sekä myös nuorisolle soveltuvien työpaikkojen vähentyminen ja samaan aikaan tapahtunut kohtuuton vuokrien nousu, vasinkin pääkaupunkiseudulla. En tiedä, mutta en usko rahaan. Esimerkiksi kilju, 10 % juoma joka maksaa joitain senttejä litralta, tuntuu olevan...
Lue kommentti
molaine
Seuraa 
Viestejä1194
Liittynyt3.8.2011

Viikon gallup: Mikä mielestäsi raitistaa nuoria?

En kyllä usko, että rahalla on iso merkitys ja veikkaan, että käytettävissä olevat rahat on vain kasvaneet, jos verrataan vaikka omaan nuoruuteen. Ei viina suomessa ole niin kallista, etteikö köyhälläkin olisi varaa dokailla. Oma junnu ei läträä lainkaan viinan kanssa. Iso osa kavereistakaan ei, vaikka osa ilmeisesti jonkin verran lipittelee. Kyllä nuorten asenteet on mielestäni muuttuneet ihan selkeästi. Ehkä alkoholipolitiikka on toiminut? Kotoa ei meillä kyllä tällaista ole opittu...
Lue kommentti

Panterarosa: On selvää, että "Partitava kisaa kurupati-kuvaa" ei oikein aukene kehitysmaalaisille N1c- kalmukinperseille.