Tutkimus fysiikan ja tähtitieteen laitoksella
Fysiikan ja tähtitieteen laitoksella tutkimme ja sovellamme luonnonlakeja tarjotaksemme laadukkainta koulutusta ja innovatiivisia ratkaisuja ihmiskunnan parhaaksi.
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
Turun yliopiston johtamassa EU/H2020 SERPENTINE -hankkeessa tutkitaan Auringon hiukkaspurkauksia ja kehitetään uusi datan analysointi- ja visualisointialusta laajalle heliofysiikan tutkimusyhteisölle. Hankkeessa analysoidaan mittauksia uusista Aurinko- ja heliosfääriluotaimista Solar Orbiter, Parker Solar Probe ja BepiColombo, jotka avaavat kokonaan uusia tapoja tarkastella auringonpurkauksia.
EU/H2020-hanke EUHFORIA selvittää auringonpurkausten ja aurinkotuulivirtausten avaruussäävaikutuksia. Turussa keskitytään Auringon koronassa tapahtuvan hiukkaskiihdytyksen mallinnukseen.
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 on Euroopan avaruusjärjestön Avaruuden tilannekuva -ohjelman alainen hanke, jossa avaruustutkijat kehitettävät havaintopohjaisia malleja avaruuden hiukkassäteilyn ennustamiseen. Hanketta Turussa johtaa professori Rami Vainio.
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 ovat keskeisiä rakennuspalikoita neuromorfisessa laskennassa, jossa tietokoneiden toimintaa pyritään tekemään aivojen kaltaiseksi. Tavoitteena on energiatehokas ja joustava tiedonkäsittely esimerkiksi kuvioiden tunnistuksessa ja oppivissa järjestelmissä.
Professori Petriina Paturin johtamassa tutkimusryhmässä kehitetään ja tutkitaan memristoreja, jotka perustuvat kapean elektronivyön manganiitteihin, kuten Gd₁₋ₓCaₓMnO₃-materiaaliin. Tutkimus kattaa sekä materiaalien perusfysiikan että laitekehityksen kohti käytännön sovelluksia.
Lisätietoja ja ajantasaisin kuvaus tutkimuksesta löytyvät tutkimusryhmän omilta verkkosivuilta.
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.
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.
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.
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.
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.
Dosentti Pekka Laukkasen kokeellisissa tutkimuksissa selvitetään ja muokataan kiinteiden aineiden kuten puolijohdekiteiden pintojen ominaisuuksia, jotta aineiden sovellusten pintahäviöitä saadaan pienennettyä.
Tietokoneavusteinen materiaalien suunnitteluprojektissa prof. Kalevi Kokko tutkii materian ominaisuuksia kvanttimekaanisilla tietokonesimulaatioilla. Tuloksena on mm. malleja, joilla materiaalien ominaisuuksia voidaan säätää vastaamaan vaativampia olosuhteita.
Fysiikan ja tähtitieteen laboratoriot
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.
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 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:
Femto 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.
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 laboratoriossa tutkitaan perustavanlaatuisia fysiikan kysymyksiä käyttäen työvälineinä modernia matematiikkaa sekä tehokkaita tietokoneita. Tutkimusaiheet liittyvät kvantti-informaatioon, kvanttimekaniikan perusteisiin, kvanttikenttäteoriaan sekä kosmologiaan.
Teoreettisen fysiikan laboratorioon kuuluu mm. Quantum Machine Learning and Complex Quantum Networks -tutkimusryhmä, jossa tutkitaan kvanttikoneoppimista, kvanttiverkkoja, ja rinnakkaisia aloja kuten kvanttilaskentaa.
.
Wihurin fysiikan laboratoriossa tutkitaan aineen ominaisuuksia matalissa lämpötiloissa, lähellä absoluuttista nollapistettä. Tutkimus jatkaa laboratorion pitkää perinnettä vuodesta 1957 lähtien.
Laboratoriossa toimii kaksi tutkimusryhmää: neuromorfiseen laskentaan ja suprajohtavuuteen keskittyvä ryhmä sekä atomivedyn fysiikkaa tutkiva ryhmä. Tutkimus kattaa sekä materiaalien perusfysiikan että uusien laitteiden ja sovellusten kehittämisen.
Valtaosa tutkimuksesta on kokeellista, mutta sitä täydennetään mallinnuksella ja tiiviillä yhteistyöllä teoreetikoiden kanssa.