Tutkimus fysiikan ja tähtitieteen laitoksella

Fysiikan ja tähtitieteen laitoksella tutkimme ja sovellamme luonnonlakeja tarjotaksemme laadukkainta koulutusta ja innovatiivisia ratkaisuja ihmiskunnan parhaaksi.

Kun halutaan määritellä fysiikka tarkemmin yhtenä luonnontieteenä monien joukossa, fysiikkaa voi kuvata tieteenä, joka tutkii luontoa pienimmästä suurimpaan. Niin hiukkaset ja atomit kuin tähdet, galaksit ja koko maailmankaikkeuskin kuuluvat fysiikan tutkimuskohteisiin ja kaikenlaisten luonnossa esiintyvien rakenteiden tarkastelu kuuluu fysiikan piiriin.
 
Aine, energia ja näiden vuorovaikutukset ovat fysiikan tutkimuksen peruskäsitteitä - asioita, joita fyysikot haluavat ymmärtää. Tästä perusasetelmasta nousee monia keskeisiä luonnon ymmärtämisen ja maailmankuvan rakentumisen kysymyksiä, kuten esimerkiksi
  • miten luonnosta voi tehdä havaintoja?
  • mitkä ovat aineen perusosaset?
  • miksi ympärillämme oleva aine on pysyvää?
  • miten selittää aineen ominaisuudet?
  • miten aurinko ja aurinkokunta on syntynyt?
  • millainen on maailmankaikkeutemme rakenne ja historia?

Tutkimusprojektejamme

Kestävän avaruustieteen ja -tekniikan huippuyksikkö FORESAIL

FORESAIL (2018-2025) on Suomen Akatemian rahoittama ja Helsingin yliopiston johtama yksikkö, jossa tutkitaan avaruuden hiukkassäteilyä ja sen vaikutuksia tekniikkaan sekä kehitetään avaruusromun torjuntaan soveltuvia pienten satelliittien radaltapoistomenetelmiä. Professori Rami Vainio toimii yksikön varajohtajana sekä sen Instrumentit-tiimin vetäjänä.

Space Radiation Expert Service Centre

Space Radiation Expert Service Centre on Euroopan avaruusjärjestön Avaruuden tilannekuva -ohjelman alainen hanke, jossa avaruustutkijat kehitettävät havaintopohjaisia malleja avaruuden hiukkassäteilyn ennustamiseen. Hanketta Turussa johtaa professori Rami Vainio.

Elektroniskaalan mallinnusta avaruusplasmoissa

Avaruusplasmojen hiukkaskiihdytys- ja -kulkeutumisprosesseja tutkitaan FORESAIL-huippuyksikössä sekä akatemiahankkeessa "Kohti elektroniskaalan mallinnusta avaruusplasmoissa". Malleja sovelletaan etenkin auringonpurkausten ja Maan lähiavaruuden tutkimukseen. Hanketta johtavat professori Rami Vainio ja erikoistutkija Alexandr Afanasiev.

Memristorit

Memristorit ovat neuromorfisten tietokoneiden peruselementti. Neuromorfiset tietokoneet matkivat aivojen toimintaa ja pyrkivät samanlaiseen, ylivoimaiseen, tehokkuuteen esimerkiksi kuvioiden tunnistuksessa, sumeassa logiikassa ja sisältöön perustuvassa tiedonhaussa. Tässä professori Petriina Paturin johtamassa projektissa teemme memristoreja kapean elektronivyön manganiiteista, jotta saisimme kehitettyä elektronien tasolla toimivan memristorin.

Atomisen vedyn kvanttiominaisuudet

Erikoistutkijan Sergey Vasilievin johtamassa hankkeessa hyvin hitaat vetyatomit vapautetaan kylmän suprajuoksevan heliumin pinnalle. Heikoimman vuorovaikutuspotentiaalin ansiosta pinta tarjoaa lähes täydelliset heijastusominaisuudet matalaenergisille atomeille, mikä mahdollistaa kvanttihyppyjen ja stationaaristen vetyatomien gravitaatiotilojen tutkimuksen pinnan ja maan gravitaation muodostamassa potentiaalikaivossa. Nämä metodit ja ideat ovat hyödyllisiä samanlaisissa kokeissa antivedyllä CERN:ssä. Lisätietoja löytyy tutkimusryhmän sivuilta.

Turku Centre for Quantum Physics

Keskus (TCQP) on perustettu syyskuussa 2009 ja se koostuu viidestä Fysiikan ja tähtitieteen laitoksen tutkimusryhmästä. Keskus koordinoi ryhmien yhteisiä toimia ja tarjoaa yhtäläisen taustan kvanttimekaniikan opetukselle. TCQP on Kvanttioptiikan laboratorion, Teoreettisen fysiikan laboratorion ja Wihurin fysiikantutkimuslaboratorion yhteinen hanke.

Kvanttiteknologiat

Professori Sabrina Maniscalcon johtama Quantum Technology (www.tqt.fi) on osana Suomen Akatemian huippuyksikköä (https://qtf.fi), jossa kehitetään tulevaisuuden kvanttiteknologioita.

Kvanttifysiikka ja pelit

Prof. Sabrina Maniscalco johtaa QPlay-hanketta (https://cordis.europa.eu/project/rcn/215825_en.html), jossa kehitetään tapoja ratkoa kvanttifysiikan ongelmia pelien avulla.

Avoimet kvanttisysteemit ja kompleksiset verkostot

Avoimien kvanttisysteemien tutkimus on yksi modernin kvanttifysiikan aktiivista ja merkittävistä alueista. Yliopistotutkijan Jyrki Piilon johtamassa hankkeessa tutkimme, miten dekoherenssi - kvantti-ominaisuuksien ja informaation häviäminen pienissä fysikaalisissa systeemeissä - tapahtuu avoimen systeemin vuorovaikuttaessa ympäristönsä kanssa. Olemme kiinnostuneita miten kuvata näiden systeemien erilaisia dynaamisia ominaisuuksia, esim. ei-Markovisia muistiefektejä, ja kuinka kontrolloida sekä soveltaa näitä kvanttimekaniikan peruskysymyksiin ja kvanttiteknologioiden tutkimuksessa. Kvanttioptisista kompleksisiin systeemeihin siirryttäessä, olemme kiinnostuneita miten rakentaa kompleksisia kvanttiverkkoja, miten kvanttidynamiikka tapahtuu näissä verkostoissa, ja miten näitä voidaan käyttää avoimien systeemien tutkimuksessa. Monitieteisessä tutkimuksessa kehitämme tilastollisia menetelmiä monimutkaisten ja kompleksisten verkostojen tutkimukseen - ja käytämme näitä käsitteitä ja menetelmiä data-analyysiin pohjautuvassa kompleksisten sosio-ekonomisten verkostojen, esim. osakemarkkinoiden, tutkimuksessa.

Orgaanisten molekyylien dynamiikka

Prof. Edwin Kukk:n johtamassa Suomen Akatemian tutkimusprojektissa seurataan röntgen- tai ultraviolettisäteilyn aiheuttamaa orgaanisten molekyylien ja klustereiden dynamiikkaa femto- ja picosekuntien aikana. Tarkoituksena on ymmärtää näiden, kaikkialla esiintyvien, prosessien luonnetta fundamentaalisella tasolla. Samalla voidaan ymmärtää myös paremmin materiaalien rapistumista ja niiden ominaisuuksien muutoksia säteilyn (valon) vaikutuksesta.

Syöpähoitojen säteilyherkistäjien molekyylitason mekanismit

Prof. Edwin Kukk:n johtamassa  projektissa selvitetään, millaisia molekyylitason mekanismeja syöpähoidossa käytettävien säteilyherkistäjä-molekyylien toiminnassa esiintyy. Yhtenä tavoitteena on löytää tehokkaammin vaikuttavia, potentiaalisia uusia molekyyliyhdisteitä.

Puolijohteiden pintojen tutkimus

Dosentti Pekka Laukkasen kokeellisissa tutkimuksissa selvitetään ja muokataan kiinteiden aineiden kuten puolijohdekiteiden pintojen ominaisuuksia, jotta aineiden sovellusten pintahäviöitä saadaan pienennettyä.

 

Tietokoneavusteinen materiaalien suunnittelu

Tietokoneavusteinen materiaalien suunnitteluprojektissa prof. Kalevi Kokko tutkii materian ominaisuuksia kvanttimekaanisilla tietokonesimulaatioilla. Tuloksena on mm.  malleja, joilla materiaalien ominaisuuksia voidaan säätää vastaamaan vaativampia olosuhteita.

Muuttuvan taivaan ilmiöiden astrofysiikka

Fysiikan ja tähtitieteen laboratoriot

Avaruustutkimuslaboratorio

Laboratorion tutkimusalana on suurienergia-avaruusfysiikka. Tutkimme suurienergiaisen hiukkassäteilyn syntyä Auringon hiukkaskiihdytysprosesseissa, sen etenemistä aurinkotuulen turbulentissa magneettikentässä sekä sen vaikutuksia satelliitteihin ja luotaimiin. Tutkimusmenetelmät ovat laskennallisia ja kokeellisia. Laboratoriossa rakennetaan satelliitti- ja luotaininstrumentteja hiukkassäteilyn havainnointiin sekä kehitetään laskennallisia malleja säteilyn synnyn ja kulkeutumisen kuvaamiseen. Laboratorio on osa Suomen Akatemian Kestävän avaruustieteen ja -tekniikan huippuyksikköä (2018-2025) sekä Euroopan avaruusjärjestön Avaruuden tilannekuva -ohjelman Space Radiation Expert Service Centreä.

 

Kvanttioptiikan laboratorio

Laboratoriossa tutkitaan teoreettisesti laserjäähdytetyttyjä atomeja ja Bose-Einstein kondensaatteja sekä kvantti-informaatiota eri näkökulmista Laboratoriossa on myös ryhmä, joka selvittää erilaisten kompleksisten ja stokastisten systeemien käyttäytymistä. Laboratoriossa on käytettävissä kvanttioptiikan laitteisto, jolla voidaan tuottaa erityisiä kahden fotonin polarisaatiosuperpositiotiloja, ns. kietoutuneita eli lomittuneita fotonipareja.

Materiaalitutkimuksen laboratorio

Materiaalitutkimuksen laboratoriossa käytämme uusimpia spektroskooppisia- ja kuvantamismenetelmiä selvittääksemme hyvinkin erilaisten materiaalien keskeisiä ominaisuuksia,  käyttäytymistä ja soveltuvuutta käytännön tarkoituksiin. Tutkimuskohteitamme ovat yksittäiset molekyylit, klusterit (satojen molekyylien ryppäät), nanopartikkelit, pinnat ja kerrosrakenteet. Kotilaboratorion mittauslaitteistojen lisäksi teemme tutkimusta kansainvälisissä suurissa kiihdytinlaboratorioissa – synkrotroneilla ja vapaa-elektronilasereilla. Teemme myös palvelutukimusta yrityksille, jolloin autamme selvittämään materiaalien koostumukseen ja rakenteeseen liittyviä käytännön ongelmia ja autamme uusien materiaalien kehittämisessä.

Laboratoriossamme on kaksi tutkimusryhmää:
Prof. Edwin Kukk:in ryhmässä keskitymme pienten kvanttisysteemien käyttäytymiseen, sekä niiden ja säteilyn välisen vuorovaikutuksen selvittämiseen.
Prof. Kalevi Kokon tutkimusryhmässä teemme kansainvälistä materiaalitutkimusta huippumenetelmillä. Löydämme mielenkiintoisia uusia ominaisuuksia, joita soveltamalla tähtäämme turvallisempaan ympäristöön ja parempaan tulevaisuuteen.

Teollisuusfysiikan laboratorio

Laboratorion tutkimus keskittyy nanokokoluokan rakenteiden käyttöön erilaisissa sovelluksissa kuten lääkeannostelussa ja kaasusensoreissa. Lisäksi laboratoriossa tutkitaan staattiseen sähköön liittyviä asioita ja potentiaalisia sovellusalueita. Laboratoriolla on myös yli 30-vuotinen historia yhteistyöstä kansallisten sekä kansainvälisten yritysten kanssa. Olemme tutkineet vaikka mitä aina kalavieheistä ja tuulimyllyistä rikkipäästöihin ja farmasiaan.

Teoreettisen fysiikan laboratorio

Teoreettisen fysiikan laboratoriossa tutkitaan perustavanlaatuisia fysiikan kysymyksiä käyttäen työvälineinä modernia matematiikkaa sekä tehokkaita tietokoneita. Tutkimusaiheet liittyvät kvantti-informaatioon, kvanttimekaniikan perusteisiin, kvanttikenttäteoriaan sekä kosmologiaan.

Wihurin fysiikantutkimuslabratorio

Laboratoriossa tehdään tutkimusta matalissa lämpötiloissa, lähellä absoluuttista nollapistettä. Tutkimuskohteitamme ovat mm. magneettiset ja suprajohtavat materiaalit kvanttitietokoneita ja tulevaisuuden elektroniikkaa varten sekä vedyn Bose-Einstein kondensaatit. Vaikka pääosa tutkimuksestamme on kokeellista, teemme myös tietokonesimulaatioita ja tiivistä yhteistyötä teoreetikoiden kanssa.

Uusimmat julkaisut

Real-time observation of X-ray-induced intramolecular and interatomic electronic decay in CH2I2 (2019)

Nature Communications
Hironobu Fukuzawa, Tsukasa Takanashi, Edwin Kukk, Koji Motomura, Shin-ichi Wada, Kiyonobu Nagaya, Yuta Ito, Toshiyuki Nishiyama, Christophe Nicolas, Yoshiaki Kumagai, Denys Iablonskyi, Subhendu Mondal, Tetsuya Tachibana, Daehyun You, Syuhei Yamada, Yuta Sakakibara, Kazuki Asa, Yuhiro Sato, Tsukasa Sakai, Kenji Matsunami, Takayuki Umemoto, Kango Kariyazono, Shinji Kajimoto, Hikaru Sotome, Per Johnsson, Markus S. Schöffler, Gregor Kastirke, Kuno Kooser, Xiao-Jing Liu, Theodor Asavei, Liviu Neagu, Serguei Molodtsov, Kohei Ochiai, Manabu Kanno, Kaoru Yamazaki, Shigeki Owada, Kanade Ogawa, Tetsuo Katayama, Tadashi Togashi, Kensuke Tono, Makina Yabashi, Aryya Ghosh, Kirill Gokhberg, Lorenz S. Cederbaum, Alexander I. Kuleff, Hiroshi Fukumura, Naoki Kishimoto, Artem Rudenko, Catalin Miron, Hirohiko Kono, Kiyoshi Ueda
(A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä)