Tulevaisuuden tietotekniikkaa: Järjestetyt kvanttipisteet nanorakenteiden perustana

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

 

Aurinkosähköä pilvienkin alla

Aurinkopaneelia
Aurinkopaneelia

Yleisen harhaluulon mukaan aurinkopaneeli ei tuota sähköä pilvisenä päivänä. Todellisuudessa paneelit kehräävät virtaa myös pimeinä päivinä, vaikkakin luonnollisesti sitä vähemmän, mitä vähemmän on valoa. Suorassa auringonpaisteessa teho on paljon suurempi kuin harmaana marraskuun sadepäivänä, jolloin sähköä ei tule kuin nimeksi.

Yksi tapa parantaa aurinkopaneelin tuottamaa hyötysuhdetta on tehdä parempia aurinkopaneeleita, mutta myös koko systeemiä optimoimalla saadaan aikaan olennaista parannusta. Tampereen teknillisen yliopiston diplomi-insinööri Anssi Mäki on tutkinut väitöskirjassaan ns. osittaisvarjostusten vaikutusta aurinkosähkögeneraattorien toimintaan ja työn tuloksena hän on kehittänyt menetelmän, jolla pilvisuuden tai varjostuksen johdosta syntyvä tehohävikki on aiempaa pienempi.

Pelkkä aurinkopaneeli sinällään ei sovellu normaaliin sähköntuotantoon, vaan se vaatii tuekseen koko joukon elektroniikkaa. Siksi koko sähköä tutottavaa kokonaisuutta kutsutaan aurinkosähkögeneraattoriksi, missä aurinkopaneelit ovat vain yksi, tosin tärkeä osa.

Jokaiselle aurinkopaneelille voidaan määrittää niin sanottu ominaiskäyrä, joka kertoo millä virran ja jännitteen arvoilla paneeli voi toimia. Oikosulkuvirta on paneelin tuottama enimmäisvirta, kun paneelin navat on kytketty oikosulkuun. Tyhjäkäyntijännite on paneelin suurin jännite, joka saadaan silloin, kun paneeliin ei ole kytketty kuormaa.

Maksimitehopiste, eli toimintapiste, on paneelin sellainen virran ja jännitteen arvo, joilla saavutetaan suurin ulostuloteho kulloisissakin käyttöolosuhteissa. Näitä pisteitä voi olla useita, tosin käytännössä niitä on vaikea saavuttaa, koska valaistusolosuhteet vaihtelevat. Lisäksi kirkkaalla auringonpaisteella paneelin lämpötila nousee, jolloin erinomaisesta valaistusolosuhteista huolimatta paneelin tuottama teho on pienempi. Elektroniikka ohjaa paneelin toimintaa näiden arvojen mukaisesti ja pyrkii koko ajan optimoimaan tuotetun sähkötehon.

Kun esimerkiksi rakennus tai pilvi varjostaa osaa aurinkosähkögeneraattorin aurinkopaneeleista, eivät paneelit toimi optimaalisesti. Tämä aiheuttaa järjestelmään häviöitä, eikä kaikkea mahdollista sähköenergiaa saada tuotettua. Osittaisesta varjostuksesta aiheutuu tyypillisesti myös tilanne, jossa generaattorien tehokäyrällä on useita paikallisia maksimipisteitä.

"Vaikka tällaiset osittaisvarjostukset tyypillisesti aiheuttavat useita paikallisia tehomaksimeja, aina näin ei kuitenkaan ole, toteaa Anssi Mäki. "Silloin kun maksimeja on useita, generaattori ei yleensä ole suurimman tehon toimintapisteessä eli tehokäyrän globaalissa maksimissa. Tällöin osa saatavilla olevasta sähköenergiasta menetetään".

Mäki esitteleekin väitöskirjassaan menetelmän, jonka avulla osittaisvarjostustilanne voidaan tunnistaa. Toimintapiste voidaan siirtää globaaliin maksimiin, mikäli generaattori ei siinä jo ennestään toimi. Menetelmän avulla generaattorin tehokäyrää ei tarvitse käydä kokonaan läpi, kuten monissa aikaisemmissa menetelmissä tehdään. Tällöin generaattori toimii aiempaa tehokkaammin ja siitä saadaan enemmän tehoa hankalissa valaistusolosuhteissa.

Menetelmästä on patenttihakemukset vireillä Euroopassa, Yhdysvalloissa ja Kiinassa.

Mäki esittelee väitöskirjassaan myös osittaisvarjostusten vaikutuksia sekä sähköiseltä että fyysiseltä rakenteeltaan erilaisissa aurinkosähkögeneraattoreissa. Tulokset osoittavat, että aurinkopaneelien sarjaankytkentöjen tulisi olla sekä fyysisesti että sähköisesti mahdollisimman lyhyitä, jotta tehohäviöt voitaisiin minimoida.

"On tärkeää huomata, että aurinkosähköjärjestelmän tehokkuutta ja kokonaishyötysuhdetta tulee parantaa muutenkin kuin vain aurinkokennojen hyötysuhdetta nostamalla", jatkaa Mäki. "Väärillä ratkaisuilla järjestelmän osien suunnittelussa saatetaan helposti menettää suurin panoksin saavutettu kennojen hyötysuhteen nousu."

Suomessa aurinkosähköllä voisi olla paljon nykyistä suurempi osuus, sillä kun valaistuksen määrää lasketaan vuositasolla, on Suomessa auringonvaloa tarjolla hyvin paljon kesän valoisten öiden ansiosta. Nykytekniikalla aurinkopaneelit tuottavat sähkö jopa juhannusyön olosuhteissa, tosin varsin vähän. Etenkin kesämökkien energiantarpeesta valtaosa voitaisiin hoitaa sähkö- ja tuuligeneraattorein.

Anssi Mäen sähkötekniikan alaan kuuluva väitöskirja Effects of Partial Shading Conditions on Maximum Power Points and Mismatch Losses in Silicon-Based Photovoltaic Power Generators ("Osittaisvarjostusten vaikutukset piihin perustuvien aurinkosähkögeneraattorien maksimitehopisteisiin ja yhteensopimattomuushäviöihin") tarkastetaan Tampereen teknillisen yliopiston tieto- ja sähkötekniikan tiedekunnassa perjantaina 1.11.2013 kello 12 alkaen Sähkötalon salissa S2. Mäen tutkimuksesta kerrottiin TTY:n tiedotteessa 28.10.

Laastarilla tietoa sydämestä ja verisuonista

Laastarilla tietoa sydämestä ja verisuonista
Laastarilla tietoa sydämestä ja verisuonista

Diplomi-insinööri Jarmo Alametsä on tutkinut väitöstyössään EMFi-anturia, joka soveltuisi iholle kiinnitettävään laastarin tapaiseen laitteeseen. Laite mahdollistaisi henkilön sydämen ja verisuoniston toiminnan tarkkailun sekä tarvittaessa lääkeaineen jakamisen suoraan ihon läpi.

Esimerkiksi rasitusrintakipukohtauksessa sydämen pumppausvoima voi alentua ennalta asetetun ohjearvon alle. Laite voisi käynnistää automaattisesti suurimolekyylisen lääkeaineen kuten nitron jakamisen kontrolloidusti ihon läpi verenkiertoon.

Alametsän mukaan laitteella voitaisiin mitata potilaan verenkiertohäiriöitä, jolloin annettava lääkitys kohdistuisi häiriöiden palauttamiseen normaaleiksi tai lähelle normaaleja arvoja. Lääkeaineen jakaminen ihon läpi puolestaan on mahdollista, sillä laitteen osana oleva EMFi-kalvo toimii sekä anturina että värähtelijänä.

Alametsä tutki väitöskirjassaan uusia tapoja hyödyntää EMFi-anturia äänittämällä mittalaitteella ballistokardiografista (BKG) signaalia kehon ulkopuolelta sekä koko kehosta että paikallisesti kaulalta ja raajoista. Tutkimuksessa käytetyn äänityslaitteen anturina on kaupallisesti saatavilla oleva sähkömekaaninen kalvo EMFi.

Ballistokardiografisella mittauksella mitataan sydämen toiminnan kehoon kohdistamia voimavaikutuksia eli rekyylivoimia. Voimat aiheutuvat sydämen pumpatessa verta aortan läpi kohti ääreisverenkiertoa, ja ne antavat tietoa sydämen ja verisuoniston tilasta.

Rekyylivoimat ovat mitattavissa kehon ulkopuolisilla herkillä antureilla. Alametsän mukaan EMFi-anturin hyödyt, kuten keveys, herkkyys ja muotoiltavuus verrattuna klassisiin BKG-mittalaitteisiin ovat ilmeisiä. EMFi-anturin keveys vähentää häiriöitä, ja sillä tehdyt tallennukset ovat toistettavia.

Laajan taajuusalueen lisäksi anturi reagoi vain dynaamiseen voimaan, mikä tekee siitä sopivan BKG-mittauksiin. EMFi-anturi mahdollistaa Alametsä mukaan BKG-menetelmän käytön osana sydämen ja verisuoniston kliinistä tutkimusta.

EMFi-anturin ohuus ja taipuisuus mahdollistavat sen liittämisen huonekaluihin kuten tuoleihin tai sänkyihin, jolloin istuvan tai makaavan henkilön sydänperäiset värähtelyt saadaan tallennettua huomaamattomasti.

Anturi voidaan liittää myös vaatetukseen tai suoraan iholle, jolloin henkilön pulssi voidaan äänittää kaulan tai raajan pinnalta. Anturia on käytetty lisäksi unenaikaisten häiriöiden kuten uniapnean ilmaisuun.

Alametsän mukaan tällä mittausmenetelmällä ja laitteella saadut BKG:n signaalit ja niistä johdetut parametrit olivat toistettavia perättäisissä ja pidemmän aikavälin mittauksissa. Siten ne ovat kliinisesti hyödyllisiä.

Tulokset viittaavat myös siihen, että menetelmää voisi käyttää arvioitaessa suonien kovettumisen etenemistä kustannustehokkaasti ballistokardiografisin keinoin. Kotikäytössä palautteen saaminen sydämen supistumisvoiman kehityksestä esimerkiksi liikunnan ja terveiden elämäntapojen seurauksena voi rohkaista myönteisiin päätöksiin. Näin sillä olisi myös vaikutusta yleiseen kansanterveyteen.

Diplomi-insinööri Jarmo Alametsän lääketieteen tekniikan alaan kuuluva väitöskirja Electromechanical Film Sensor in Cardiovascular System Evaluation ('Sähkömekaaninen kalvoanturi sydän-verisuoniston tilan arvioinnissa') tarkastetaan Tampereen teknillisen yliopiston (TTY) tieto- ja sähkötekniikan tiedekunnassa perjantaina 31.5.

CSI Tampere - Uusi menetelmä ampujan paikantamiseen

Monissa rauhanturvaoperaatioissa tai sotilaallisissa konflikteissa on osallisina tarkka-ampujia, joiden sijaintia on vaikea hahmottaa. Toni Mäkinen kehitti väitöstyössään menetelmän, jolla voidaan usean mikrofonin avulla antaa arvioita luodin lentoradasta ja sen lähtöpisteestä.

Vastaavia järjestelmiä on ollut jo käytössä esimerkiksi Irakin sotilasoperaatiossa. Ne ovat kuitenkin usein toteutukseltaan salaisia tai vaativat laajoja ja kiinteitä mikrofonijärjestelmiä. Mäkisen kehittämässä ratkaisussa voidaan hyödyntää esimerkiksi sotilaan kypärään kiinnitettyjä mikrofoneja, jolloin toimivuus ei rajoitu pelkästään ennalta mikrofonein varustettuihin kohteisiin.

Mäkisen mukaan järjestelmiä käytetään usein myös ampumisen havainnointiin ylipäänsä. Näin voidaan esimerkiksi auttaa poliisia selvittämään muutoin mahdollisesti pimentoon jääviä ampumistapauksia kaupunkialueilla.

Todennäköisyyksiin pohjautuvia optimointimenetelmiä voidaan käyttää luodin lentoradan, nopeuden ja halkaisijan eli aseen kaliiperin arviointiin. Äänen tulosuunnan määritykseen yhdistettynä saatuja tuloksia voidaan käyttää myös ampujan paikantamiseen. Samaa parametrien optimointiin perustuvaa lähestymistapaa voidaan käyttää myös erilaisten äänisignaalien, kuten musiikin, puheen tai koiran haukunnan automaattiseen tunnistukseen ja luokitukseen.

Väitöskirjan toisena sovelluskohteena Mäkinen etsi keinoja parantaa automaattista äänen sisältöön pohjautuvaa luokitusta ja hakua. Sovelluskohteita ovat esimerkiksi suurten ääni- tai videotietokantojen automaattinen hallinta ja kontekstin tunnistus.

Suureen tietokantaan lisätty uusi äänitiedosto voidaan esimerkiksi sijoittaa suoraan samankaltaisten ääninäytteiden joukkoon tai tietokannasta voidaan tehdä sisältöpohjaisia hakuja referenssiääntä käyttäen. Näin voidaan etsiä vaikkapa kaikki auton ääntä tai tiettyä musiikkigenreä sisältävät tiedostot.

Sovelluskohteiden hyvin erilaisesta luonteesta huolimatta väitöskirjassa käytettyjä ja kehitettyjä optimointimenetelmiä voidaan menestyksekkäästi soveltaa molempiin.

Diplomi-insinööri Toni Mäkisen signaalinkäsittelyn alaan kuuluva väitöskirja Spatial and Content-based Audio Processing using Stochastic Optimization Methods ("Spatiaalinen ja sisältöpohjainen audioprosessointi stokastisia optimointimenetelmiä käyttäen") tarkastetaan Tampereen teknillisen yliopiston (TTY) tieto- ja sähkötekniikan tiedekunnassa tiistaina 21.5.2013 kello 12 alkaen Tietotalon salissa TB222 (Korkeakoulunkatu 1, Tampere).