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

Laulettu sana kuului puhuttua paremmin ja pidemmälle.

Koulujen lukukausi lähestyy loppuaan. Pian tulevat ne ajat, jolloin taas kerran pähkäillään, sopiiko päättäjäisissä laulaa suvivirttä vai ei.

Aiempien vuosien kädenvääntö on osoittanut, että virttä voivat iloisin mielin ja henkisesti häiriintymättä laulaa muutkin kuin luterilaista uskoa tunnustavat. Yhdessä laulaminen vahvistaa yhteistä tunnekokemusta enemmän kuin juhlapuheen kuuntelu.

Suomen evankelisluterilaisessa kirkossa virrellä tarkoitetaan yleensä kirkolliskokouksen hyväksymää hengellistä yhteislaulua, mutta tämä ei ole virsi-sanan vanhin eikä ainoa merkitys.

Virsi on alkanut vakiintua tietynlaisen kirkkolaulun nimitykseksi vasta luterilaisen reformaation myötä.

Reformaation ohjelmaan kuului seurakunnan ottaminen mukaan jumalanpalveluksiin aktiivisesti virsiä laulamalla. Sitä ennen laulusta olivat huolehtineet papit ja heidän koulutetut avustajansa. Muutoksesta seurasi epäilemättä kirkkomusiikin tason dramaattinen lasku, ainakin väliaikaisesti.

Virsi-sana on esihistoriallisella ajalla saatu balttilainen laina, joka alun perin lienee tarkoittanut sanaa tai puhetta. Suomalaisessa kansankulttuurissa virsi on ollut pitkän kertovan runon nimitys. Kalevalan henkilögalleriaan kuuluu virsikäs eli runsaasti runoja taitava Vipunen, ja hänen muistissaan olevaa runovarastoa nimitetään sanaiseksi arkuksi tai virsilippaaksi.

Pitkiä runomuotoisia kertomuksia on tyypillisesti esitetty laulamalla. Laulettu sana kuuluu paremmin ja kauemmas kuin puhuttu. Sävelmä ja kalevalainen runomitta antavat sisällölle muodon, joka on helpompi muistaa ja toistaa kuin vapaa puhe.

Suvivirrelle antaa erityistä viehätystä sanan alkuosa suvi. Se on ikivanha kesää merkitsevä perintösana, jota on käytetty länsimurteissa, mutta nykyään se tuntuu runolliselta ja ylätyyliseltä, kun se on yleiskielessä jo aikoja sitten korvattu itämurteista poimitulla kesä-sanalla. Virressä vaikutelmaa tehostaa vielä alkusointuinen sanayhdistelmä suvi suloinen.

Muissakin tapauksissa suvi on tehokas tunnelman luoja. Suvisunnuntai on autuaan rauhallinen ja kaunis. Suvituuli on lempeä ja lauha, suvipäivä lämmin ja suviyö romanttinen. Kesän alkaessa suunnitellaan proosallisesti aikatauluja ja lasketaan rahoja, mutta suven kynnyksellä haaveillaan tulevan suven parhaista hetkistä.

Kaisa Häkkinen on suomen kielen emeritaprofessori Turun yliopistossa.

Julkaistu Tiede-lehdessä 6/2018

Tutustu sisältöön ja lue uusi lehti digilehdet.fi:ssä.

Tieteessä 6/2018 

PÄÄKIRJOITUS

Eläköön uteliaisuus

Leikkisä mieli ja villit ideat potkivat maailmaa eteenpäin.

 

PÄÄUUTISET

Ystävyys syntyy 200 tunnissa

Läheinen suhde rakentuu yhteisissä riennoissa omalla ajalla.

Lintu suuntii kompassisilmin

Se näkee magneettikentän valoherkän proteiinin ansioista.

Ydin poikii mustia aukkoja

Linnunradan jättimäiselle Sagittarius A:lle löytyi 12 kaveria.

Atlantin merivirta jarruttaa

Hidastuminen varmistui sekä pinnalta että pohjalta.

 

ARTIKKELIT

Seitsemän mahdollista maailmanloppua

Kauhuskenaarioita riittää, mitä sanovat tutkijat.
Uhkaako jokin Maata meidän elinaikanamme?

Keskity! Siihen voi oppia

Ärsyketulva ei pääse häiritsemään tekemisiä,
kun käyttää aivojen toiminnanohjausjärjestelmää.

Kaikkien aikojen kalajuttu

Lohenpoikasten ei tarvitse kasvaa kassissa.

Opioidikriisi alkoi
joka kodin lääkkeestä

1800-luvulla oopiumia käyttivät kaikki.
Se oli halpaa ja hoiti vaivan kuin vaivan.

Antiaine kätkee mysteerin

Kyse on koko universumin olemassaolosta.

Otto Wille Kuusinen
käänsi takkia tarvittaessa

Punaisten ideologi teki itänaapurissa komean uran
pitämällä omana tietonaan, mitä mieltä asioista oli.

 

TIEDE VASTAA

Osaako norsu hypätä?

Missä digitaalinen tieto säilyy pisimpään?

Mihin avaruus laajenee?

Kuka syö Itämeren kalat?

Mikä on Tiede-lehden hiilijalanjälki?

Mistä johtuu raskauspahoinvointi?

 

KIRJAT

Remonttireiskana avaruudessa

Scott Kelly vietti vuoden Kansainvälisellä avaruusasemalla.

 

KUVA-ARVOITUS

Siinähän on ihan selvästi...

Klassikkopalsta kutsuu lukijoita tulkitsemaan kuvia
ehden Facebook-sivustolle.

 

OMAT SANAT

Virsi kantoi kauas

Laulettu sana kuului puhuttua paremmin ja pidemmälle.

 

Jos olet Sanoman jonkin aikakauslehden tilaaja, voit lukea uusimman numeron jutut Sanoman Digilehdet-palvelussa.

Ellet vielä ole ottanut tilaukseesi kuuluvaa digiominaisuutta käyttöön, tee se osoitteessa https://oma.sanoma.fi/aktivoi/digilehdet. Aktivoinnin jälkeen pääset kirjautumaan suoraan digilehdet.fi-palveluun.