Mikroprosessoreiden laskentateho kaksinkertaistuu Mooren lain mukaan 18 kuukaudessa. Piipohjaisten prosessorien kehityskaaressa tehon kasvu on saavutettu transistorien nopeutta kasvattamalla sekä varsinkin niiden kokoa pienentämällä. Fysiikan lakien asettamat rajat ovat kuitenkin tulossa vastaan: prosessorien hukkalämpö ja kvanttimekaaniset vuotovirrat ohuiden eristekerrosten läpi estävät piitransistorien koon pienentämisen. Niinpä tutkijat ovat suunnanneet mielenkiintonsa uudenlaisiin ratkaisuihin turvatakseen kasvavien tietomäärien käsittelyyn vaadittavan laskentatehon myös tulevaisuudessa.
Mahdollisia piiprosessorien korvaajia ovat puolijohdekvanttipisteisiin perustuvat kvanttitietokoneet ja täysin optiset mikropiirit. Kvanttipisteiden hyödyntäminen näissä sovelluksissa vaatii kuitenkin, että ne voidaan sijoittaa tarkalleen oikeaan paikkaan muuhun piiriarkkitehtuuriin nähden. Teemu Hakkarainen on tutkinut väitöstyössään järjestettyjen puolijohdekvanttipisteiden kasvattamista kvanttioptiikan ja täysin optisen tietotekniikan sovelluksiin.
Tampereen teknillisen yliopiston optoelektroniikan tutkimuskeskuksessa puolijohdekvanttipisteitä kasvatetaan nanorakenteiselle pinnalle. Näin kvanttipisteet pakotetaan tarkalleen haluttuihin paikkoihin, vaikka ne luontaisesti muodostuvat täysin satunnaisiin kohtiin. Tästä tutkimuksesta syntyi diplomi-insinööri Teemu Hakkaraisen väitöskirja.
Hakkarainen tutki väitöstyössään myös järjestettyjen kvanttipisteiden fysikaalisia perusominaisuuksia. Sopivalla pintarakenteella voidaan esimerkiksi vaikuttaa kvanttipisteiden muotoon, kemialliseen koostumukseen sekä hilajännitykseen, jotka määräävät kvanttitilojen energiat sekä niiden säteilemän valon ominaisuudet.
"Nanorakenteissa pienetkin ilmiöt saavat aikaan suuria muutoksia. Kvanttipisteen tiloja hallitaan yhdellä elektroni-aukko-parilla ja se säteilee valoa yhden fotonin. Tarvitaan siis erittäin herkkiä mittausmenetelmiä", Hakkarainen kertoo.
Väitöskirjassaan hän osoittaa, että TTY:n optoelektroniikan tutkimuskeskuksessa kehitetyllä menetelmällä voidaan hallita kvanttipisteiden kasvuprosessia heikentämättä niiden optista laatua. Nanokuvioiden hyödyntäminen kasvatuksessa antaa myös uuden keinon kvanttipisteiden ominaisuuksien räätälöimiseen. Hakkaraisen mukaan esimerkiksi niiden säteilemän valon polarisaatiota voidaan hienosäätää nanokuvion suuntaa muuttamalla.
Hakkaraisen väitöskirja koostuu seitsemästä artikkelista, jotka on julkaistu kansainvälisesti arvostetuissa tiedelehdissä. Uusien nanomateriaalien tutkimuksessa se täyttää aukkoa teknologian ja perustutkimuksen välillä.
*****
Diplomi-insinööri Teemu Hakkaraisen fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Site-Controlled Epitaxy and Fundamental Properties of InAs Quantum Dot Chains ("InAs kvanttipistejonojen järjestetty valmistaminen ja perusominaisuudet") tarkastetaan Tampereen teknillisen yliopiston (TTY) luonnontieteiden tiedekunnassa perjantaina 25.1.2014. Väitöskirjaan voi tutustua täällä. Teksti perustuu TTY:n tiedotteeseen.
Kuva: Lasse Orsila