Kun lämpötila pudotetaan lähelle absoluuttista nollapistettä, aineen ominaisuudet muuttuvat ja kvantti-ilmiöt tulevat näkyviksi. Sähkönvastus katoaa ja neste kiipeää ketterästi.

Absoluuttinen nollapiste on kuin matalien lämpötilojen valonnopeus – raja, jota ei voi rikkoa. Celsiusasteikolla nollapiste löytyy lämpötilasta −273,15 astetta, ja tieteessä usein käytetty kelvinasteikko alkaa suoraan nollasta.

Atomien ja molekyylien liike hidastuu absoluuttista nollaa lähestyttäessä, mutta toisin kuin usein luullaan se ei suinkaan lakkaa, kun lämpötila saavuttaa miniminsä. Hiukkasten liike ei kvanttifysiikan valossa voi koskaan lakata täysin. Tästä pitää huolen Heisenbergin epätarkkuusperiaate, jonka mukaan hiukkasen liike-energiaa ja paikkaa ei voida koskaan mitata tarkasti samaan aikaan.

Lämpöopin lait sanelevat, että tutkittavaa näytettä ei laboratorio-oloissakaan pystytä jäähdyttämään absoluuttiseen nollapisteeseen, sillä ympäröivästä maailmasta vuotaa näytteeseen lämpöenergiaa jatkuvasti. Hyvin lähelle nollaa on kyllä päästy.

Kylmyyden maailmanennätyksenä on toistaiseksi pysynyt Teknillisen korkeakoulun kylmälaboratoriossa 1999 saavutettu huikea 100 pikokelvinin eli 0,000 000 000 1 asteen lämpötila.

Seura tekee kaltaisekseen

Kvanttifysikaaliset ilmiöt piiloutuvat yleensä lämpöliikkeen aiheuttamaan kohinaan. Lämpimässä atomit ovat kuin lauma äänekkäitä koululaisia ennen oppitunnin alkua. Tiukka opettaja rauhoittaa hälisevän joukon ja saa sen vaikka laulamaaan kuorossa. Tällaista aineen kurinalaista käytöstä sanotaan koherentiksi.

Kun lämpöliike vaimentuu riittävästi ja aineen lämpötila laskee alle kriittisen lämpötilan – joka on jokaiselle aineelle omansa – atomit ja molekyylit vaipuvat yhteiseen energiatilaan, kvanttitilaan. Tällöin kvanttifysiikan hämärät meiningit tulevat selvästi näkyville.

Lähellä absoluuttista nollaa hiukkasten nopeus saadaan vielä mitattua melko tarkasti, mutta sitten hiukkaset epätarkkuusperiaatteen takia lakkaavatkin olemasta erillisiä hiukkasia ja leviävät sen sijaan aalloiksi, jotka värähtelevät koherentisti samaan tahtiin. Niistä on tullut yksi ja sama kvanttifysikaalinen järjestelmä.

On syntynyt uusi aineen olomuoto, kondensaatti, joka ei ole nestettä, kaasua eikä kiinteää ainetta. Kondensaatin ominaisuudet ovat vähintäänkin omituisia, minkä vuoksi sitä on sanottu kvanttimekaaniseksi identiteettikriisiksi.

Kondensaatti toi nobelin

Kondensaatin olemassaoloon päätyivät laskelmissaan Satyendra Nath Bose ja Albert Einstein jo 1920-luvulla. Teoria ennusti, että lähellä absoluuttista nollapistettä hiukkasilla on taipumus pudota kvanttitilaan, jonka energia on mahdollisimman pieni.

Koska aineen jäähdyttäminen riittävän kylmäksi on lievästi sanottuna haastavaa, kesti yli 70 vuotta, ennen kuin teorian ennustamaa Bosen–Einsteinin kondensaattia saatiin syntymään laboratoriossa. Tämä onnistui 1995, mistä hyvästä Eric Cornell, Carl Wieman ja Wolfgang Ketterle pokkasivat Nobelin fysiikanpalkinnon 2001.

Kondensaatti saatiin aikaan jäähdyttämällä rubidium-atomeista muodostunutta kaasua 170 nanokelvinin (0,000 000 17 asteen) lämpötilaan. Tarkkaan ottaen kyseessä oli niin sanottu bosonikondensaatti; hiukkaset jaetaan bosoneihin ja fermioneihin niiden kvanttimekaanisten spin-ominaisuuksien mukaan. Kondensaatin muodostaminen fermionihiukkasista vaatii vieläkin matalampia lämpötiloja. Ensimmäinen tällainen tehtiin jäähdyttämällä kaliumkaasu yli kolmesataa kertaa kylmemmäksi, 500 pikokelviniin (0,000 000 000 5 asteeseen).

Kylmäfysiikka on todella kylmää. Esimerkiksi tähtienvälinen avaruus on keskimäärin kolmen kelvinin lämpötilassa. Luonnon kylmin lämpötila mitattiin 1995 Bumerangisumussa, jossa nuoresta tähdestä virtaava kaasu laajenee nopeasti ympäröivään avaruuteen. Laajeneminen on jäähdyttänyt kaasun yhteen kelvinasteeseen.

Hyöty tulee myöhemmin

Valon nopeus tyhjiössä on noin 300 000 kilometriä sekunnissa, eikä valo tavallisissa väliaineissa juuri kulje hitaammin. Erilaisten kondensaattien avulla valoa on kuitenkin saatu hidastettua nopeuksiin, joista ei rapsahtelisi ylinopeussakkoja edes taajamissa. Yhdysvalloissa onnistuttiin 2003 pysähdyttämään valo täysin ja tallentamaan näin kondensaattiin yksittäisten fotonien sisältämä informaatio. Valon ”jäädytti” Harvardin yliopiston professori Lene Hau työryhmineen.

Bosen–Einsteinin kondensaatit ovat erittäin lupaavia, kun mietitään tulevaisuuden tietotekniikkaa ja kommunikaatiota. Hitaan valon avulla virtapiirien sähkönkulutusta voitaisiin leikata jopa miljoonasosaan. Optiset, valon avulla toimivat kytkimet vaativat hyvin vähän virtaa, ja hidastettuna valo on helpommin kontrolloitavissa. Hitaassa valossa myös häiritsevää kohinaa on vähemmän, joten sen avulla kyetään hyvin tehokkaaseen tiedonsiirtoon.

Kondensaatit ovat erittäin herkkiä verrattuna tavalliseen aineeseen. Ne vaativat huippukylmyyttä ja niiden säilyttäminen vakaana on vaativaa, joten kaupallisten sovellusten kehittäminen tulee viemään vielä vuosia.

Supraneste kiipeää

Kylmällä heliumkaasulla on hyvin erikoisia ominaisuuksia. Sen isotoopit helium-4 (jonka ytimessä on kaksi protonia ja kaksi neutronia) ja helium-3 (ytimessä protonien lisäksi vain yksi neutroni) eivät normaalipaineessa jäädy lainkaan. Sen sijaan niistä tulee ultrakylmässä äärettömän letkeitä supranesteitä. Helium-4:lle tämä tapahtuu 2,2 kelvinissä ja kevyemmälle isotoopille huomattavasti kylmemmässä, 0,003 kelvinissä.

Supraneste virtaa täysin vapaasti tuntematta kitkaa. Tavallinen vesi kaareutuu juomalasissa reunoilla hiukan ylöspäin, koska veden ja lasin molekyylit vaikuttavat toisiinsa voimakkaammin kuin vesimolekyylit keskenään. Supraneste ei tyydy kaareutumaan – sitä ei pidättele mikään, vaan se kiipeää ylös reunoja, kunnes astia on tyhjä.

Jos lasiputken toisen pään upottaa supranesteeseen ja lämmittää vapaata päätä, supraneste nousee putkeen ja ryöppyää siitä kuin suihkulähteestä. Mitä kapeampi putki, sitä hanakammin supraneste nousee. Tavallisten pillimehujen kanssa näin ei onneksi käy.

Kun supranesteen kerran saa liikkeelle, se ei hevin pysähdy. Kitkattomuuden vuoksi supranesteeseen synnytetty pyörre pyörii ikuisesti. Taitavinkaan konosööri ei yllä konjakkilasinsa kanssa moiseen suoritukseen.

Suprakiinteä kevenee

Helium ei siis normaalipaineessa jäädy. Matalimmassakin kvanttitilassa heliumatomit vipeltävät vielä vauhdikkaasti eivätkä suostu asettumaan kiinteäksi aineeksi. Mutta jos paine nostetaan noin 20 ilmakehään, heliumista saadaan kiinteää, jopa suprakiinteää ainetta (supersolid).

Kiinteä aine on yleensä jäykkää, mutta suprakiinteä on kaikkea muuta. Se on kyllä kiteistä mutta samalla kumimaisesti kokoon puristuvaa, ja se voi virrata täysin kitkattomasti supranesteen tavoin.

Kun supranestettä pyöritetään astiassa edestakaisin tavallisen aineen kanssa, osa sen atomeista ei liiku lainkaan vaan ikään kuin leijuu kitkatta irti muusta aineesta. Tämä havaitaan astian liikkeen kevenemisenä – vaikuttaa siltä, kuin osa supranesteestä katoaisi jonnekin. Kun pyöriminen lakkaa, massa palaa takaisin. Suprakiinteä aine kykenee aivan samaan.

Pyöritettäessä jäähdytettyä astiaa edestakaisin osa kiinteästä aineesta muuttuu suprakiinteäksi ja kulkee vaivatta muun kiinteän aineen läpi, mikä on täysin arkijärjen vastaista. Tämä johtuu siitä, että suprakiinteä aine (tai supraneste) pääsee virtaamaan kitkatta tavallisen aineen atomien välistä.

Suprakiinteän aineen olemassaolo ennustettiin jo 1969, mutta sen rakentelu laboratoriossa on ollut vaikeaa. Monet tutkimusryhmät ovat ilmoittaneet onnistuneensa tehtävässä, mutta tuloksista on kiistelty.

Suprajohteessa vastus häviää

Suprajohteet ovat aineita, joiden sähkönvastus on nolla. Tavallisten sähkönjohteiden vastus pienenee vähitellen, kun niitä jäähdytetään, mutta suprajohteen jäähtyessä alle kriittisen lämpötilansa sen vastus putoaa kertaheitolla nollaan.

Sähkö siis johtuu suprajohteissa häviöttä. Suprajohde voi olla puhdasta alkuainetta, kuten elohopeaa, tinaa tai lyijyä – ja jopa happea, joka muuttuu kiinteänä metalliseksi. Monet metalliseokset ovat myös suprajohtavia matalissa lämpötiloissa, ja hiilen eri olomuodoilla, kuten timantilla, grafiitilla ja pallomaisilla fullereeneilla, voi esiintyä suprajohtavia ominaisuuksia.

Teorian mukaan suprajohtavuus aiheutuu siitä, että elektronit etenevät suprajohteessa pareina, jotka liikkuvat synkronissa sekä toisten elektroniparien että metallijohteen hilavärähtelyjen kanssa. Lämpötilan noustessa hilavärähtelyt voimistuvat ja parit hajoavat. Kriittisessä lämpötilassa elektronit törmäilevät jo täysillä – sähkönvastus on palannut.

Rajattomasti sovelluksia

Monien suprajohteiden kriittinen lämpötila on pienempi kuin 30 kelviniä, mutta 1980-luvulla löydettiin niin sanotut korkean lämpötilan suprajohteet. Tästä nobeloitiin 1987 IBM:n tutkijat Karl Alex Müller ja Johannes Georg Bednorz.

Uudet suprajohteet ovat enimmäkseen keraamisia seoksia, joita ei tarvitse jäähdyttää heliumilla vaan jotka saadaan suprajohtaviksi nestemäisellä typellä eli yli 77 kelvinissä. Käytännön kannalta tämä on merkittävä helpotus.

Supranesteille tai suprakiinteille aineille on vaikea keksiä sovelluksia, mutta suprajohteilla niitä on roppakaupalla. Esimerkiksi tutkimuslaboratorioissa, kuten Cernissä, käytetään tehokkaita suprajohtavia magneetteja, samoin sairaaloiden magneettikuvauslaitteissa. Ne ovat perinnäistä niobi-titaania, ja niitä pitää jäähdyttää heliumilla. Aivotutkimuksessa on jo käytössä uusia suprajohteita, joista tehdyt sensorit ovat niin herkkiä, että niillä voidaan mitata aivojen magneettikentän pienen pieniä muutoksia.

Suprajohteisiin perustuvat tietokoneet, kodinkoneet tai muut laitteet kuluttaisivat merkittävästi vähemmän sähköä kuin nykyinen elektroniikka. Jos joskus saadaan kehitettyä huoneenlämmössä toimiva suprajohde, joka sietää kohtalaista sähkövirtaa, vain taivas on rajana sovelluksille.

Aalto aistii toisen kaukaa

Uusin käänne ultrakylmän aineen tutkimuksessa tapahtui viime helmikuussa. Tutkijat Silke Ospelkaus ja Kang-Kuen Nin, jotka työskentelevät Jila-instituutissa Yhdysvaltojen Coloradossa, havaitsivat ensimmäistä kertaa kemiallisia reaktioita huippukylmien molekyylien välillä. Kvanttikemiallinen tutkimus on aiemmin keskittynyt atomeihin.

Yleensä kemialliset reaktiot tapahtuvat molekyylien törmäillessä toisiinsa. Kun lämpötila lasketaan riittävän matalaksi, reaktiot tapahtuvatkin molekyyliaaltojen kesken. Kvanttimekaaniset molekyyliaallot aistivat toisensa jopa sata kertaa kauempaa kuin normaaleissa, lämpimissä oloissa ja saattavat jopa vaihtaa atomeja keskenään.

Muutamien nanokelvinien lämpötilassa molekyylit liikkuvat jähmeästi, mutta reaktiot voivat olla hyvinkin nopeita. Molekyylien spintiloja säätelemällä reaktioita voidaan nopeuttaa tai jopa estää kokonaan.

Ultrakylmien molekyylien kemialliset reaktiot saadaan tapahtumaan äärimmäisen kontrolloidusti ja tarkasti. Hyiset molekyylit auttavat meitä myös askelen lähemmäs tietotekniikan graalin maljaa, kvanttitietokonetta, joka jonakin päivänä mullistaa koko tietojenkäsittelyn.

Anne Liljeström on vapaa tiedetoimittaja.

Julkaistu Tiede -lehdessä 9/2010.

Kvantti on määrämittainen paketti

Kvanttifysiikka kuvaa tapahtumia hiukkastason mittakaavassa, jossa klassinen mekaniikka ja arkijärki eivät päde.Kvantti on pienin mahdollinen energiapaketti.

Kvanteiksi nimitetään myös luonnon perusvoimien välittäjähiukkasia. Sähkömagneettisen voiman välittäjähiukkanen on valokvantti eli fotoni, gravitaation gravitaatiokvantti eli gravitoni.

Kvantittuminen tarkoittaa, että suure voi saada mitattaessa vain tiettyjä arvoja. Kvantittuneita voivat olla esimerkiksi energia ja spin.

Spin on hiukkasten perusominaisuus, jota voi kuvitella pyörimisliikkeenä. Spin on kvantittunut, eli se voi saada vain tiettyjä arvoja – bosonihiukkasilla kokonaislukuja (0, 1, 2,...) ja fermioneilla puolilukuja (1/2, 3/2, 5/2,...).