Jussi Toppari

Jari Jussi Toppari on suomalainen fyysikko ja apulaisprofessori. Hän on ollut Jyväskylän yliopistossa kokeellisen nanofysiikan apulaisprofessorina vuodesta 2018. Fyysikkona hänen tutkimusalansa on nanofysiikka ja nanoelektroniikka. Erityisteemoina hänen tutkimuksessaan ovat olleet plasmoniikka ja molekyylielektroniikka. Topparin tutkimustyön alat voidaan lukea nanotieteisiin.

Taustaa: nanofysiikka juurtuu Jyväskylään
Nanofysiikan ja nanoteknologian tutkimus Jyväskylän yliopistossa alkoi 1990-luvulla. Ensimmäinen tärkeä askel kehityksessä oli, kun soveltavan fysiikan professuuriin nimitettiin kesällä 1992 Mikko Paalanen. Paalanen alkoi johtaa nanofysiikan tutkimusta ja opetusta Jyväskylässä. Mukanaan hän toi mukanaan nanoelektroniikan tutkimuksen. Paalanen oli erikoistunut varsinkin matalien lämpötilojen fysiikkaan ja erittäin pienten rakenteiden eli nanorakenteiden sähkönjohtavuuden tutkimukseen. 

Vuonna 1995 Jukka Pekola nimitettiin fysiikan apulaisprofessoriksi Jyväskylän yliopistoon. Pekola opetti Jyväskylässä fysiikan tieteellisiä ja teknologisia sovelluksia. Hänen tutkimustyönsä sisälsi etupäässä nanorakenteiden ja nanoteknologian tutkimusta alhaisissa lämpötiloissa. Hän käytti tutkimusvälineinä mm. kryostaatteja, joiden avulla näytteet voidaan jäähdyttää jopa muutaman kelvinin lämpötilaan. 

Professori Paalanen siirtyi 1995 Helsinkiin Teknillisen korkeakoulun kylmälaboratorion johtajaksi. Tämän jälkeen nanofysiikan tutkimuksen johdossa Jyväskylässä jatkoi Pekola, joka nimitettiin 1997 vakinaiseksi professoriksi. Pekola siirtyi kuitenkin jo vuonna 2001 akatemiaprofessoriksi Ranskaan. Hänen jälkeensä nanofysiikan tutkimusta koordinoi professori Päivi Törmä, joka nimitettiin syksyllä 2001 nanoelektroniikan professoriksi.

Akateeminen ura

Jussi Toppari aloitti fysiikan opintonsa Jyväskylän yliopistossa samoihin aikoihin kuin nanofysiikan tutkimus alkoi. Aikanaan hän itsekin suuntautui nanofysiikkaan. Toppari sai pro gradu-tutkielmansa valmiiksi vuonna 1997 ja valmistui filosofian maisteriksi soveltavan fysiikan alalta. Maisterin tutkinnon jälkeen Toppari aloitti jatko-opintonsa professori Pekolan tutkimusryhmässä. Pekola ohjasi myös hänen väitöskirjansa. Väitöskirjassaan Toppari jatkoi perehtymistään kvanttimekaanisiin tunnelointi-ilmiöihin metallisissa nanorakenteissa. Hän väitteli filosofian tohtoriksi Jyväskylän yliopistossa vuonna 2003.

Valmistumisen jälkeen Toppari toimi Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksella yliassistenttina vuosina 2003–2009. Hän on ollut vuodesta 2008 Jyväskylän yliopiston fysiikan dosentti. Dosentuurin erikoistumisalana on nanofysiikka ja nanoelektroniikka. Vuodesta 2009 Toppari työskenteli Suomen akatemian akatemiatutkijana. Niihin aikoihin hän muodosti oman tutkimusryhmän. Akatemiahankkeen päätyttyä hänet nimitettiin vuonna 2014 yliopistonlehtoriksi Jyväskylän yliopistoon.

Apulaisprofessoriksi
Vuonna 2017 Jyväskylän yliopiston matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta päätti vahvistaa kokeellisen nanofysiikan tutkimusalaa tiedekunnassa. Julistettiin avoimeksi määräaikainen viiden vuoden apulaisprofessuuri. Avoimen haun jälkeen tiedekunta päätti kutsua  apulaisprofessorin tehtäviin Jussi Topparin ja Juha Muhosen. Toppari aloitti tehtävässä maaliskuussa 2018. Hän työskentelee fysiikan laitoksella ja Jyväskylän yliopiston poikkitieteellisesssä Nanotiedekeskuksessa.

Apulaisprofessori Toppari on uransa aikana kesäkuuhun 2021 mennessä ohjannut ainakin viisi väitöskirjaa (Veikko Linko, Shen Boxuan, Svitlana Baieva, Tommi Isoniemi ja Kosti Tapio).

Tutkimustyö

Nanofysiikka
Fysiikan tutkijana Toppari on suuntautunut nanofysiikkaan ja nanoteknologiaan. Hänen johdollaan Jyväskylän yliopistossa toimii plasmoniikan ja molekyylielektroniikan tutkimukseen erikoistunut tutkimusryhmä. Ryhmä valmistaa metallisia nanorakenteita, joihin yhdistetään DNA-molekyylejä. Rakenteesta voi syntyä niin sanottu DNA-origami. DNA-origameja valmistetaan lisäämällä normaaliin luonnossa esiintyvään DNA-juosteeseen synteettisiä juosteita, joilla DNA-ketju voidaan kiinnittää haluttuun muotoon. Laajemmin tämä tutkimus lukeutuu fysiikan rakennetutkimukseen ja materiaalifysiikan tutkimukseen. Nanorakenteiden ominaisuuksia tarkastellaan muun muassa sähköisten mittauksien avulla.

Toppari oli mukana kehittämässä vuonna 2018 julkaistua niin kutsuttua DALI-menetelmää (DNA-Assisted LIthography, ), jonka avulla voidaan valmistaa sarjatuotantona tarkkamuotoisina rakenteina erittäin monimutkaisia nanokokoisia metallisia rakenteita. DALI-menetelmän kehittivät yhteistyössä Jyväskylän yliopiston ja Aalto-yliopiston tutkimusryhmät yhdessä California Institute of Technologyn ja Aarhusin yliopiston (iNANO Center, Tanska) tutkijoiden kanssa. Menetelmässä käytetään DNA-origameja ja lisäksi muita perinteisempiä nanoteknologisia valmistusmenetelmiä. 

Nanofyysikoiden tavoitteena on rakentaa nanoelektroniikkaa. Perinteisesti rakenteita on valmistettu niin sanotusti ylhäältä alas eli top-down-menetelmillä. Niiden kehityksessä fysikaalinen raja on kuitenkin tullut vastaan, eikä top-down-menetelmien avulla voida valmistaa enää nykyistä pienempiä elektronisia tai optisia laitteita. DNA-molekyylien itsejärjestäytyvyysominaisuuksia voidaan käyttää hyödyksi valmistettaessa molekyylikokoluokan laitteita, jolloin laitteiden valmistuminen tapahtuu alhaalta ylöspäin eli bottom-up-menetelmänä. Topparin oma tutkimus liittyy keskeisesti tämän menetelmän sovellusten kehittämiseen. Esimerkiksi yhdistämällä DNA-origamiin metallisia nanopartikkeleita, saadaan aikaan toiminnallisia laitteita ja nanorakenteita, jotka ohjaavat sähköä tai valoa. Apulaisprofessori Toppari tutkimusryhmineen on valmistanut DNA:n itsejärjestyvyyden avulla  muun muassa yhden elektronin transistorin. Nanorakenteita voi käyttää myös ilmaisimina erittäin herkkään havainnointiin.

Plasmoniikka
Eräs Topparin tutkimusaloista on plasmoniikka. Tieteenalana plasmoniikka tarkoittaa pintaplasmoniresonanssiin (, SPR) liittyvää tiedettä tai teknologiaa. Plasmoniikka tai nanoplasmoniikka viittaa yleisemmin nimityksenä erilaisiin tekniikoihin, joilla luodaan, havaitaan tai manipuloidaan metalli-puolijohde-yhdistelmän rajapintaa myöten optisilla taajuusalueilla kulkevia signaaleja nanometrimittakaavassa. Kun esimerkiksi infrapunavalo osuu sopivan puolijohteen pintaan, sen elektronit alkavat resonoimaan samalla taajuudella kuin infrapunavalo. Elektronit säilyttävät optisen informaation, mutta kutistavat sen mittoihin, jotka ovat yhteensopivia elektronisten piirien kanssa. Niin kutsutut pintaplasmonit ovat koherentteja delokalisoituneita elektronivärähtelyjä kahden eri materiaalin välisessä rajapinnassa.

Pintaplasmonien polaritonit (, SPPs) ovat sähkömagneettisia aaltoja. Polaritonit kulkevat esimerkiksi metallin ja eristeen muodostamaa rajapintaa pitkin. Aaltoon liittyy sekä varausten liikettä metallissa että sähkömagneettisia aaltoja eristeessä, mutta ne heikkenevät edetessään nopeasti.

Pintaplasmonien viritystä sovelletaan kokeellisessa tekniikassa, joka tunnetaan pintaplasmoniresonanssina (SPR). Pintaplasmoniresonanssin avulla voidaan havainnoida esimerkiksi nanometrien suuruisia muutoksia rakenteen paksuudessa, rakenteiden tiheysvaihteluita tai molekyylien absorboitumista.

Tutkijoiden kehittämiä plasmonisia materiaaleja voidaan soveltaa esimerkiksi polymeerisissä valodiodeissa että aurinkokennoissa. Nanoteknologian tutkijat Boston Collegessa ovat puolestaan kehittäneet nanomittaluokan antenneja, jotka lähettävät ja vastaanottavat pintaplasmoneja. Tekniikalla visioidaan olevan sovelluksia näyttölaitteissa (esim. nestekidenäytöissä).

Harrastukset

Yliopistotyön ulkopuolella Jussi Toppari on soittanut bassokitaraa yhtyeissä Mikä! ja Whipping Post.

Lähteet

Kirjallisuus
 Mari Heikkilä (toim.): Pienestä syntyi suurta - Nano came to Jyväskylä. Jyväskylän yliopiston nanotiedekeskuksen historia - talkoohenkeä ja yhdessä tekemisen voimaa. Jyväskylä: Jyväskylän yliopisto, 2014. ISBN 978-951-39-5910-4 Teoksen verkkoversio.
 Jari Eloranta: Jyväskylän matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta 1965–1995: Opettajankoulutuksen laajentamispyrkimyksistä monialaiseen tiedekuntaan. (1995). Jyväskylä: Gummerus. ISBN 951-34-0622-9.

Viitteet

Aiheesta muualla
 Publications Apulaisprofessori Topparin viimeisimpiä tieteellisiä tutkimusartikkeleita. Fysiikan laitos, JY. 
Jussi Topparin julkaisuja Publons.com-palvelussa 
 Joitakin apulaisprofessori Topparin laboratorion julkaisuja ResearchGate.com-palvelussa. 
 Molecular electronics and Plasmonics Topparin tutkimusryhmän sivut 

Suomalaiset fyysikot
Suomalaiset professorit
Elävät henkilöt
Syntymävuosi puuttuu
Jyväskylän yliopiston professorit