Atomeja ja elektroneja hätistellen

Veijo Hänninen

Elektroniikan etsiytyessä yhä pienempiin mittoihin tutkijat tuovat esiin aivan uusia ilmiöitä, joita voitaisiin hyödyntää tulevaisuuden tekniikkaa kehitettäessä.

Kilpailussa luoda yhä nopeampaa elektroniikkaa apua haetaan valosta. Mutta se tieto miten nopeasti elektronit reagoivat valopulsseihin on härnännyt tiedemiehiä jo vuosikymmenien ajan.

Vetkuttelevatko elektronit

Nyt Max Planck Institute of Quantum Opticsin johtama kansainvälinen fyysikkojen ryhmä on käyttänyt Laboratory for Attosecond Physicsin ensimmäisiä optisia attosekuntien pulsseja, mitatakseen aikaa, joka kuluu elektroneilta atomien sisällä vastata valon sähkömagneettisiin voimiin.

Tai fundamentaalisempi näkökulma: kuinka nopeasti elektronit, jotka on sidottu atomeihin, molekyyleihin tai kiintoaineisiin reagoivat valoon?

Attosekuntien optisien pulssien avulla tutkija saivat kryptonatomien elektronit liikkeeseen ja tulokseksi tuli, että elektroneilta kestää niinkin kauan kuin 100 attosekuntia vastata valon sähkömagneettisiin voimiin.

Tutkijoiden mukaan työ avaa uuden aikakauden tutkia ja manipuloida ainetta elektronisella tasolla ja seuraava vaihe on jäljittää ja ohjailla elektroneja kiintoaineessa, jolloin sen avulla voisi tunnistaa lupaavimpia reittejä ultranopealle elektroniikalle ja fotoniikalle, jotka toimivat alle femtosekuntien aikajaksoissa ja petahertzien kellotuksen nopeuksilla.

Elektronien jäähtymistä säädellen

Kalifornian Riverside yliopiston johtama fysiikkojen tutkijaryhmä joka on kehittänyt uuden tavan nähdä elektronien jäähtyminen erittäin lyhyessä ajassa.Kehityksellä voisi olla sovelluksia lukuisissa paikoissa, joissa lämmönhallinta on tärkeää, kuten näytöissä, aurinkokennoissa ja optisen viestinnän valoilmaisimissa. Näissä laitteissa elektronien energiaa hukkaantuu materiaalin kuumenemiseen.

Elektronisissa materiaaleissa elektronit voidaan nopeasti kuumentaa valopulsseilla. Aika, joka elektroneilta kuluu jäähdyttää toisiaan, on erittäin lyhyt, tyypillisesti alle yhden pikosekunnin.Mutta tiedemiehiä moinen epätarkkuus ei tyydytä.

Monet tutkijat ovat kamppailleet tarkempien tuloksien aikaansaamiseksi.Riversiden johtama tutkijaryhmä löysi uuden tavan selvittää ongelmaa. Sen avulla varmistui, että kaksiulotteisessa materiaalissa grafeeni jäähdyttää virittyneitä elektroneita jopa 30 femtosekunnissa.

Tarkempia tuloksia tutkijat saivat käyttämällä täysin uudenlaista lähestymistapaa ja samalla se tuotti myös uudenlaista tekniikkaa optoelektroniikkaa ajatellen.Tutkijat yhdistivät yhden kerroksen grafeenia ohuiden eristävien boorinitridikerrosten kanssa muodostamaan van der Waals heterorakenteen.

Rakenne antoi elektroneille mahdollisuuden jäähtyä joko itse grafeenissa tai siirtyä ympäröivään kerrokseenVirittämällä standardeja kokeellisia nuppeja, kuten jännitettä ja optisen pulssin energiaa, tutkijat havaitsivat, että he voivat tarkasti hallita sitä mihin elektronit liikkuvat ja kuinka kauan niiltä ottaa jäähtyä.

Tämä löytö tarjoaakin uusia tapoja nähdä elektronien jäähtymistä äärimmäisen lyhyellä aikajänteellä, mutta samalla osoittaa uusia laiterakenteita nanomittakaavan optoelektroniikalle. Työnsä ohessa tutkijat kehittivätkin uudenlaisen valodetektorin joka on vain 10 nanometriä paksu.

Atomista värinää nanomateriaaleissa

Kaikki materiaalit koostuvat atomeista, jotka värähtelevät. Nämä värähtelyt, tai "fononit', ovat vastuussa, esimerkiksi siitä miten sähkövaraukset ja lämpö liikkuvat materiaaleissa.Mitä näille värähtelyille tapahtuu, kun materiaali on nanokokoista, ei ole tähän asti oikein ymmärretty.

ETH Zurichin professori Vanessa Wood ja hänen kollegansa työ osoittaa, että kun materiaaleja tehdään pienemmäksi kuin 10 - 20 nanometriä värähtelyt nanohiukkasten uloimman atomikerroksien pinnalla ovat suuria ja niillä on tärkeä rooli siinä, miten tämä materiaali käyttäytyy.

"Joillekin sovelluksille, kuten katalyysi, termosähköisyys tai suprajohtavuus, suuret värähtelyt voivat olla hyviä, mutta muille sovelluksille, kuten ledit tai aurinkokennot, nämä värähtelyt ovat ei-toivottuja", kertoo Wood.Samalla tutkimustyö selittää, miksi nanohiukkasiin perustuvat aurinkokennot eivät ole tähän mennessä oikein antaneet täyttä lupausta.

Tutkijat osoittivat, että pintavärinä, joka vuorovaikuttaa elektronien kanssa vähentää aurinkokennon valovirtaa."Nyt olemme osoittaneet, että pintavärinät ovat tärkeitä, voimme systemaattisesti suunnitella materiaaleja tukahduttamaan tai vahvistamaan näitä värähtelyjä," toteaa Wood.

Metalli käyttäytyy kuin vesi

Harvardin ja Raytheon BBN Technologyn tutkijat ovat laventaneet ymmärrystämme grafeenin perusominaisuuksia, tarkkailemalla ensimmäistä kertaa elektronien käyttäytyvän metallissa kuin neste.

Havaintoon tarvittiin erittäin puhdasta grafeenia ja uudenlaisia tapoja mitata sen ja elektronien lämmönjohtavuutta.

Tavallisissa, kolmiulotteisissa metalleissa, elektronit tuskin ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Mutta grafeenin kaksiulotteisuudessa elektronit toimivat kuten massattomat relativistiset objektit ja liikkuvat uskomattoman nopeasti. Lisäksi niiden on ennustettu törmäilevän toisiinsa kymmenen triljoona kertaa sekunnissa huoneenlämmössä.

Havainnot yllättivät tieteilijät perusteellisesti.

Suurin osa maailmaamme kuvataan klassisella fysiikalla. Hyvin pienet asiat, kuten elektronit, kuvataan kvanttimekaniikalla sekä hyvin suuret ja hyvin nopeat asiat, kuten galaksit, kuvataan relativistisella fysiikalla.Näiden fysiikan eri lakien yhdistäminen on tunnetusti vaikeaa, mutta on äärimmäisiä esimerkkejä, joissa ne menevät päällekkäin.

Korkean energian järjestelmiä kuten supernovia ja mustia aukkoja voidaan kuvata yhdistämällä klassista hydrodynamiikan teoriaa Einsteinin suhteellisuusteorian kanssa.Mutta se on vaikea tehdä kokeiluja mustilla aukoilla, joten siirrytään grafeenin.

Kun grafeenissa olevia voimakkaasti vuorovaikuttavia hiukkasia ohjattiin sähkökentällä, ne käyttäytyivät, eivät niinkään kuin yksittäiset hiukkaset vaan kuten neste, jota voisi kuvata hydrodynamiikalla.

Saavutus voi toimia mallijärjestelmänä tutkia eksoottisia ilmiöitä kuten mustia aukkoja ja korkean energian plasmaa mutta se voi johtaa myös uusiin lämpösähköisiin laitteisiin."Tämä työ tarjoaa uuden tavan hallita lämmön siirtymisen määrää grafeenin elektronisysteemissä ja sellainen on avainasemassa energiaan ja havaitsemiseen liittyvissä sovelluksissa.

"Konvertoida lämpöenergiaa sähkövirroiksi ja päinvastoin on tunnetusti vaikea tavallisten materiaalien parissa mutta periaatteessa, puhtaan grafeenin näytteen kanssa voi olla, ettei ole mitään rajaa, kuinka hyvän laitteesta voi tehdä", toteavat tutkija yliopistonsa tiedotteessa.

Lämmönsiirtoa kvanttitasolla

Aalto-yliopiston Mikko Möttösen johtama tutkijaryhmä on onnistunut siirtämään lämpöä maksimaalisen tehokkaasti kymmenentuhatta kertaa pidemmälle kuin koskaan aikaisemmin.

Lämmön johtuminen on yksi fysiikan perusilmiöistä. Möttösen ryhmän saavutus mullistaa niin sanotun kvanttirajoittuneen lämmönjohtumisen eli lämmön siirtymisen mahdollisimman tehokkaasti paikasta toiseen.

Etenkin kvanttitietokoneiden kehittäjille uutinen on merkittävä, sillä sen tehokas toiminta edellyttää tehokasta jäähdytystä. Möttösen innovaatio auttaa viilentämään konetta tehokkaasti ja niin, että se ei häiritse kvanttitietokoneen muuta toimintaa.

Ensimmäinen tärkeä oivallus tutkimuksen onnistumiseksi oli käyttää lämmön kuljettamiseen fotoneita. Aiemmin kokeita on tehty esimerkiksi elektronien avulla.

– Tiedämme, että fotonit voivat kuljettaa lämpöä pitkiä matkoja. Tuovathan ne auringon lämmönkin maan pinnalle, kertoo Möttönen.

Möttösen tutkimusryhmä sai kokeissaan lämmön siirtymään kvanttirajoitteisesti metrin verran. Tutkimusryhmän rakentama laite mullistaa siten perustavanlaatuisesti sen, miten lämmönjohtumista voidaan hyödyntää käytännössä.

Kiraalinen vaikutus luo kvanttivirtaa

Löytö, joka perustuu oikea- ja vasenkätisien hiukkasia erottamiseen, viittaa erilaisiin sovellusmahdollisuuksiin energian, kvanttilaskennan ja lääketieteellisen kuvantamisen parissa ja mahdollisesti jopa uutena mekanismina indusoida suprajohtavuutta.

Materiaalitutkijat työskentelivät zirkonium-pentatelluridin parissa ja löysivät siitä yllättävän piirteen: kun se asetetaan samansuuntaisiin sähkö- ja magneettikenttiin, syntyy kiraalinen epätasapaino, joka työntää vastakkain varautuneita hiukkasia vastakkaisiin suuntiin luoden vahvan sähkövirran.

Tällaista ilmiötä on pitkään ennustettu teoriassa, mutta ei aiemmin havaittu oikeissa materiaaleissa. Vaikka vapaasti virtaavia lähes massattomia partikkeleita löydetään yleisesti hiukkaskiihdyttimien kvarkki-gluoniplasasta, tällaista ei odotettu tapahtuvan kiinteässä aineessa.

Oikea- tai vasenkätinen kiraalisuus määritetään siitä, onko hiukkasen spin kohdistunut sen liikkeen suuntaan tai sitä vastaan. Lisäksi hiukkasien on käyttäydyttävä kuin ne olisivat lähes massattomia ja pystyä liikkumaan kaikkiin kolmeen suuntaan.

Kahden kiraalisen tilan erottaminen voisi antaa uuden tavan koodata dataa tietojenkäsittelyssä. Ja koska kiraalinen tila on erittäin vakaa ja vähemmän altis häiriöille se voisi olla luotettavampi materiaali kvanttilaskentaan.

Se voisi tarjota myös uuden reitin kohti suprajohtavuuden kaltaista nolla resistanssia. Lisäksi tutkijat ovat havainneet kiraalisissa materiaaleissa olevan kollektiivisia virityksiä terahertsien taajuusalueella, joka voi olla tärkeä langattomalle viestinnälle mutta myös kuvantamismenetelmille.

Kiintoaineita kvanttipisteistä

Aivan kuten yksikiteiset piikiekot muuttivat elektroniikan luonnetta 60 vuotta sitten, ryhmä Cornell Universityn tutkijoita toivoo työnsä kvanttipisteisissä kiintoaineissa – kiteistä, jotka on valmistettu kiteistä - voivan auttaa uuden aikakauden elektroniikan kehitystä.

Tutkijat ovat muokanneet kaksiulotteisia superrakenteita yksikiteisistä rakennelohkoista. Muutaman kemiallisen prosessin avulla lyijy-seleenisiä nanokiteitä syntetisoidaan suuremmiksi kiteiksi, ja sitten fuusioidaan yhteen muodostamaan atomisesti yhtenäisiksi superhiloiksi.

Näiden superrakenteiden sähköiset ominaisuudet ovat mahdollisesti parempia kuin nykyisten puolijohteisten nanokiteiden, mikä ennakoi sovelluksia energian absorptiossa ja valon emissiossa.

Vahva nanokiteiden kytkentä johtaa energiakaistojen muodostumiseen, joita voidaan manipuloida perustuen kiteiden rakenteeseen ja voisi olla ensimmäinen askel kohti löytää ja kehittää muita keinotekoisia materiaaleja, joilla on ohjattava elektroninen rakenne.