Fotoniikka näkyy kaikkialla, mutta siitä puhutaan vähän. Shambhavee Annurakshita tutkii laservalon avulla materiaalien käyttäytymistä mikroskooppisen pienessä maailmassa.

Fotoniikka vaikuttaa jokapäiväisessä elämässä kaikkialla. Valokuituverkon välityksellä toimiva internet ulottuu ympäri maailmaa. Kaupassa luetaan viivakoodeja, ja terveydenhuollossa lasereilla leikataan silmiä. Hologrammit, virtuaalitodellisuus, mikrosirut, lamput ja älypuhelimet ovat kaikki fotoniikan avulla rakennettu. Myös vihreä siirtymä aurinkopaneeleineen on fotoniikan ansiota.

Yksinkertaisuudessaan fotoniikka tutkii teknologioita, jotka käyttävät, tuottavat tai muokkaavat valoa.

”Kiinnostuin fotoniikasta, koska sitä on kaikkialla ympärillämme, mutta siitä puhutaan kovin vähän. Haluaisin, että kaikki ymmärtäisivät, mistä fotoniikassa on kyse”, Shambhavee Annurakshita sanoo. Hän on Tampereen yliopiston fotoniikkaan eli valotieteeseen erikoistunut tutkija.

Annurakshita on erikoistunut epälineaarisen optiikan tutkimukseen. Hän tutkii väitöskirjassaan mikroskoopin avulla, miten erilaisten materiaalien nanohiukkaset käyttäytyvät, kun niihin kohdistetaan suuri määrä valoa. Alan pioneerina pidetään yhdysvaltalaista fysiikan professori Robert Boydia.

Annurakshitaa on lapsesta asti kiehtonut, miten valoa käytetään jokapäiväisessä elämässä. Annurakshita on syntynyt Intian Varanasissa, joka on yksi maailman vanhimpia kaupunkeja.

Nyt Annurakshita asuu Tampereella, jossa tehdään fotoniikan huippututkimusta.

Tampereen yliopiston entinen fysiikan professori ja nykyinen Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnan dekaani Martti Kauranen sai hänet valitsemaan väitöskirjan aiheeksi epälineaarisen optiikan.

Tutkimusta valon ja materiaalin välisestä suhteesta

Fotoniikka on yhdistelmä fysiikkaa ja teknologista osaamista, teoriaa ja käytännöllisyyttä.

”Normaaliolosuhteissa valo käyttäytyy materiaalin kanssa samalla tavoin valontehosta riippumatta”, Annurakshita sanoo.

Tilanne on nurinkurinen epälineaarisessa optiikassa, jossa valon käyttäytyminen ei olekaan enää johdonmukaista, vaan erilaiset materiaalit reagoivat valotehoon eri tavoin. Se, miten valo muuttaa materiaalien heijastumista riippuu aineen molekyyli- ja atomirakenteesta.

Annurakshita on tutkinut, miten esimerkiksi kullan tai polyvinyylialkoholin nanohiukkaset käyttäytyvät, kun niihin kohdistetaan linssin avulla tehokkaita laserpulsseja.

Tutkimustyö on sekoitus suurta valotehoa mikroskooppisen pienessä ympäristössä.

”Metamateriaalit ja näiden nanopartikkelit ovat erilaisia kuin luonnon materiaalit, koska niiden käyttäytyminen muuttuu valotehoa lisäämällä.”

Nämä laserit, joita Annurakshita hyödyntää laboratoriotyössään tuottavat valopulsseja, joka kestävät erittäin lyhyen ajan, muutaman sadan femtosekunnin ajan.

Epälineaarisen optiikan avulla tutkitaan erilaisten materiaalien eroavaisuuksia, jotka eivät näy normaalissa mikroskooppisessa kuvassa. Tämä laajentaa entisestään mikroskopian mahdollisuuksia eri tieteenaloilla, esimerkiksi biologiassa, kemiassa tai lääketieteessä.

Tutkimuksessa käytettäviä laitteita on kaupallisesti hyvin saatavilla ja ne ovat arkipäiväistyneet useissa sovelluksissa, kuten laserkuvioinnissa, silmäkirurgiassa ja tutkimuksessa.

Epälineaarisen optiikan vahvuus on siinä, että kuvan muodostamiseen ei tarvita väriaineita. Heikkous puolestaan se, että kaikki materiaalit, kuten biologiset näytteet, eivät välttämättä kestä suuria valotehoja.

Annurakshitan käyttämä tekniikka paljastaa erilaisten materiaalien salaisuuksia, jotka eivät muuten tulisi näkyväksi. Erityisesti biotieteiden, kuten biologian ja kemian tutkimuksessa mikroskopia on ollut tärkeä työkalu kautta historian.

Perustutkimus luo pohjaa tulevaisuuden läpimurroille

Tieteen tulevaisuutta, läpimurtoja ja uusia löydöksiä, on etukäteen vaikea ennustaa. Siksi uusien tutkimusmenetelmien kehittäminen on reunaehto tieteen tekemiselle.

Annurakshitan työ on yhdenlaista perustutkimusta, jota voidaan hyödyntää monipuolisesti esimerkiksi teollisuuden aloilla.

”Jokaisella ihmisellä on omanlainen polkunsa tutkijaksi. Kaikkien panosta tarvitaan. Tutkimuksen tekeminen ja virheistä oppiminen vaativat kärsivällisyyttä.”

Annurakshita on luottavainen sen suhteen, että hänen tutkimuksensa avaa tulevaisuudessa ovia mikroskopian avulla tehtyihin läpimurtoihin.

”Suhtaudun tutkimustyöhön intohimoisesti ja koen pieniä onnistumisen hetkiä joka päivä.”

Tampereen yliopiston fotoniikan yksikkö koordinoi Suomen Akatemian rahoittamaa PREIN-lippulaivaohjelmaa, jossa ovat mukana myös Itä-Suomen yliopisto, Aalto-yliopisto sekä VTT.

Miltei jokainen teollisuuden osa-alue on tavalla tai toisella riippuvainen fotoniikasta.

Suomen fotoniikan seuran, Photonics Finlandin kyselyn mukaan Suomessa on noin 260 yritystä, jotka työskentelevät fotoniikan parissa. Fotoniikkateollisuuden arvo on yli miljardi euroa Suomessa.

”Uskon, että tulevaisuudessa Suomella tulee olemaan avainasema fotoniikassa.”

Tulevaisuudessa Annurakshita haluaisi työskennellä asiantuntijana teollisuudessa, mutta sitä ennen kerryttää kokemusta postdoc-tutkijana. Erityisesti yritykset, jotka satsaavat tieteelliseen kehitystyöhön ja innovaatioihin, houkuttelevat.

”Toivon, että voin jonain päivänä perustaa yrityksen tutkimustyöni löydösten pohjalta. Haluaisin ehdottomasti jatkaa työskentelyä Suomessa.”

Shambhavee Annurakshitalle on myönnetty apurahaa väitöskirjatyön tekemiseen vuosien 2020 ja 2021 apurahahauissa.

Teksti: Johannes Roviomaa
Kuvat: Eino Ansio