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