Veijo Hänninen

Atomeista nykertäen

Tieteen viimeaikaisista saavutuksista tiedetään, että nanokiteiden atomit tekevät yhteistyötä ja on jopa tutkittu kuinka jännitteen pudotus tapahtuu atomitasolla nanoelektronisissa rakenteissa.

Nämä ja muut atomitason tieteilyt vievät elektroniikkaa kohti atomitason toteutusta. Onpa jopa heitetty ilmaan ajatus, että mitä tulee atomitason valmistukseen, vähemmän on todella enemmän.

Atomeista kytkimiä

University of Albertan fysiikan professori Robert Wolkowin ryhmä yhdessä yhteistyökumppaneiden Max Plank Instituten kanssa julkaisi syksyllä yksityiskohtaisia havaintoja, siitä miten luodaan atomisia kytkimiä sähkölle.

Kyseessä ensimmäinen kerta kun joku on nähnyt kytkennän yksiatomisessa kanavassa, kertoo Wolkow. Nykyinen 14 nanometrin taso mikropiireissä tarkoittaa vielä tuhansia atomeja ja että löytyy yllättäviä hyötyjä olla pienempi, niin tavallisille kuin kvanttitietokoneille. Mielenkiintoista kuitenkin on, mitä pienempi järjestelmä sitä vähemmän häiriöitä.

Kun voidaan luoda järjestelmä, joka on hämmästyttävän pieni, siinä tarvitaan vähemmän materiaalia ja se myllertää vähemmällä energiankäytöllä, samalla säilyttäen juuri oikean informaation.

"Se on jotain josta et ole ehkä kuullut vielä, mutta atomimittakaavan valmistus tulee olemaan maailmaa muuttavaa. Ajatellaan, se ei ole aivan tehtävissä mutta, olemme jo nyt tehneet asioita atomeista rutiininomaisesti.

Emme tee sitä vain itsetarkoituksellisesti. Me teemme sen, koska asioilla, joita voimme tehdä on yhä enemmän toivottavia ominaisuuksia. Ne eivät ole pelkästään pienempiä. Ne ovat erilaisia ja parempia, toteaa Wolkow yliopistonsa tiedotteessa.

Esineitä fotoneista

National Institute of Standards and Technology (NIST) fyysikkojen ryhmä on puolestaan rakentanut esineitä fotoneista. Heidän havainnot vihjaavat, että painottomat valon hiukkaset voidaan liittää osaksi eräänlaista "molekyyliä" jolla on oma erikoinen voima.

Jo vuonna 2013 Harvardin, Caltechin ja MIT:n yhteistutkimus löysi tavan sitoa kaksi fotonia yhteen niiden liikkuessa päällekkäin. Heidän kokeellista osoitusta pidettiin tuolloin läpimurtona, koska kukaan ei ollut koskaan rakentanut mitään yhdistämällä yksittäisiä fotoneja.

Vuonna 2015 pääosin NIST:in ja University of Marylandin tutkijoista koostuva ryhmä osoitti teoreettisesti että säätämällä sidosprosessin muutamia parametreja, fotonit voivat kulkea myös vierekkäin, tietyllä etäisyydellä toisistaan. Järjestely on sukua sille, että kaksi vetyatomia on vierekkäin vetymolekyylissä.

Monet nykytekniikat perustuvat valoon ja monille niistä olisi huomattava parannus, jos fotonien välistä vuorovaikutusta voisi hallita tai muokata.

Tutkijoiden mukaan alkuun voisi ajatella valoantureiden kalibrointia ilmaisimella, joka loistaa tarkkaa fotonien lukumäärää. Vielä merkittävämpää olisi, jos fotoneja sitomalla ja lomittamalla niitä voisi käyttää informaation prosessoinnissa, tavalla jota nyt tehdään elektronisilla kytkimillä.

Valokuituviestinnässä bittejä on välillä muunnettava elektroneiksi. Se on tehoton askel, ja tuhlaa paljon sähköä. Jos sekä siirto että tietojen käsittely voitaisiin tehdä fotoneilla suoraan, se voi vähentää energiahukkaa.

Valolla ohjattuja molekyylejä

Konstanzin yliopiston ja Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorfin (HZDR) tutkimuslaitoksen tutkijat työskentelevät tallentaakseen ja käsitelläkseen informaatiota yksittäisten molekyylien tasolla luodakseen pienimmän mahdollisen komponentin, joka yhdistyy itsenäisesti muodostaakseen piirin.

Vuonna 2015 he raportoivat voivansa kytkeä virtaa läpi yhden molekyylin ensimmäistä kertaa valon avulla.

Tutkijoiden kokeilema diarylethene yhdiste-molekyyli on noin kolme nanometriä kooltaan, ja se pyörii hyvin vähän kun sen rakenne avautuu. Lisäksi sillä on kaksi nanolankaa, joita voidaan käyttää kontakteina. Diarylethene on avoimena eriste ja suljettuna johde.

Kontakteja molekyyleille

Edellisessä Konstanzin-HZDR työssä molekyyliä testattiin liuoksessa ja kultakontakteihin liitettynä.

University of California, Davisissä toimiva Josh Hihathin laboratorio on kehittänyt menetelmän, jolla mitataan yksittäisen molekyylin johdotuksen yhtenäisyyttä.

"Yritämme tehdä transistoreita ja diodeja yksittäisistä molekyyleistä ja valitettavasti et voi tällä hetkellä hallita eksaktisti, miten molekyyli kontaktoi elektrodiin tai millainen tarkka kokoonpano on" Hihath sanoi. "Tämä uusi tekniikka antaa meille paremman konfiguraation mittaukselle, joka antaa tärkeää tietoa teoreettiseen mallinnukseen."

Tähän asti on ollut suuri ero yksittäisten molekyylien ennustetun sähköisen käyttäytymisen ja kokeellisien mittauksien välillä, joiden tulokset eroavat toisistaan peräti kymmenkertaisesti, Hihath sanoi.

Myös DNA:t avuksi

Ainoat tunnetut molekyylit, jotka voidaan ennalta suunnitella itse-koostamaan monimutkaisia piirejä, joita voi puolestaan käyttää tietokoneissa, ovat DNA-molekyylejä.

Vuonna 2014 Jerusalem yliopiston vetämä tutkimus raportoi sähkön mittauksista läpi pitkän molekyylin, joka koostui neljästä DNA-säikeestä. Saavutus signaloi merkittävästä läpimurrosta pyrittäessä kehittämään DNA-pohjaisia virtapiirejä.

University of California Davis ja University of Washingtonin yhteinen tutkijaryhmä on osoittanut, että DNA:n konduktanssia voidaan moduloida hallitsemalla sen rakennetta. Tämä avaa mahdollisuuden DNA:n tulevalle käytölle sähkömekaanisena kytkimenä.

Ryhmä osoitti, että DNA:n kaksoiskierteen vaihtaminen olisi mahdollista muuttamalla sen ympäristöä mahdollistaen sen, että konduktanssi olisi palautuvasti hallittavissa.

Vaikka sähköinen kytkentä DNA:ssa jo onnistuukin niiden koostaminen miljardeiksi aktiivisiksi osiksi ja niiden yksittäinen ohjaaminen onkin sitten toinen juttu.

Topologisien eristeiden sovellukset

Viritettävät topologiset eristeet voivat luoda perustan uusille sukupolville spintroniikkaa, kvanttitietokoneita ja ultratehokkaita puolijohdekomponentteja

Piipohjainen elektroniikka kärsii usein takaisinsironnasta, kun virtaavat elektronit kohtaavat vastusta. Valon tapaiset elektronit topologisen eristeen pinnalla voivat kuitenkin vastustavat vahvasti takaisinsirontaa joten niitä voidaan käyttää ylivoimaisena rakennelohkona puolijohdekomponenteille.

Spintroniset laitteet manipuloivat elektronien spiniä lukea ja kirjoittaa digitaalista informaatiota paremmalla tehokkuudella, tallennustiheydellä ja vakaudella kuin nykyiset, mutta tekniikka on vielä lapsenkengissään. Topologisten eristeiden ulompien elektronien spin on lukittu niiden liikemäärään, mikä tekee niistä paljon vakaampia ja turvallisempi ulkoisia voimia vastaan.

Useimmat kvanttitietokoneen mallit tukeutuvat hiukkasparien lomittumiseen. Mutta lomittuneet hiukkaset ovat tunnetusti herkkiä, alttiita romahtamaan pienimmästäkin syystä. Topologiset eristeet voivat kuitenkin tukea niin sanottuja Majorana fermioneja - kietoutuneita kvasihiukkasia, joilla on ylivoimainen vakaus ja voitaisiin siten käyttää suojattuun, virhekorjattuun kvanttilaskentaan.

Häviötontä topologiaa

RIKEN Center for Emergent Matter Sciencen tutkijat Japanista ovat tuoneet esiin todisteen epätavallisesta kvantti-ilmiöstä - kokonaisluku kvantti Hall - uudentyyppisessä kalvossa, nimeltään kolmiulotteinen topologinen eriste.

RIKEN:in tutkijat osoittivat, että "pinta Dirac tilat" - erityinen muoto massattomia elektroneja – ovat kvantisoituneet näissä materiaaleissa, mikä tarkoittaa, että ne voivat ottaa ainoastaan tiettyjä erillisiä arvoja.

Topologisten eristeiden pinnoilla esiintyy massattomia elektroneja ja elektroniaukkoja - kutsutaan Dirac fermioneiksi - jotka voivat johtaa sähköä lähes häviöttömästi, kuten suprajohtimissa.

Nämä löydöt voivat auttaa tiedettä siirtymään kohti häviöttömän elektroniikan tavoitetta - elektronisia laitteita, jotka voivat toimia ilman häviöitä ja lämpöä tuottamatta kuten nykyiset piihin perustuva puolijohteet.

Topologisia transistoreita ja suprajohteita

Tutkijat Australiassa ja Singaporessa ovat mitanneet topologisen Dirac semimetallisten ohutkalvojen elektronisia ominaisuuksia. Nämä ohutkalvot ovat 3D-analogeja grafeenille.

Topologisessa Dirac puolimetallissa elektronit kulkevat erittäin suurilla nopeuksilla, mutta kaikissa kolmessa ulottuvuudessa, ei vain kahdessa ja niillä on siten "bulk" Diracin kartio. Siksi tutkijat hahmottavat ainetta kolmiulotteisena grafeenina, joista voitaisiin tehdä uusia elektronisia laitteita, kuten topologisia transistoreita..

Aalto-yliopiston tutkijat ennustivat vuonna 2015, että matalissa lämpötiloissa esiintyvien suprajohteiden pinnat voivat muuttua topologisiksi suprajohteiksi, kun pinnalle asetetaan magneettisia rauta-atomeja säännölliseen muotoon.

Topologiset suprajohteet eroavat tavallisista siinä, että niiden reunoilla kiertää jatkuvasti virtaa, jossa esiintyy eksoottisia hiukkasia, Majorana fermioneja.

Kyseiset reunatilat ovat yhdensuuntaisia ja mahdollistavat siten virran kulun vain yhteen suuntaan. Reunatilojen lukumäärä ja suunta voivat kuitenkin vaihdella.

Majoranan fermioneilla on teoreettisesti ennustettu olevan ominaisuuksia, joiden avulla voidaan luoda monimutkaisia kvanttitiloja esimerkiksi palmikoimalla hiukkasia toistensa ympäri. Näin syntyneitä rakenteita voidaan hyödyntää tiedon koodaamiseen ja niiden tulevaisuuden sovellusalueet lienevät kvanttitietokoneissa.

Van der Waalsilla aiempaa parempi tarttuvuus

Van der Waals vuorovaikutuksien yksityiskohtainen ymmärtäminen on tieteellisten saavutusten lisäksi tärkeä askel orgaanisten elektronisten laitteiden suunnittelussa.

Tutkijat Fritz Haber Institute of Max Planck -instituutissa, yhdessä kollegoiden Italiasta ja USA:sta, ovat onnistuneet kuvailemaan tarkemmin kuin aikaisemmin, vetovoimia joita liittyy varauksettomien nanorakenteiden välisiin vuorovaikutuksiin.

He ovat kuvailleet van der Waalsin voimia aaltojen vuorovaikutuksina hiukkasten välisten vuorovaikutuksien sijaan. Näin he totesivat, että attraktiovoimat varauksettomien atomien ja molekyylien välillä ulottuvat huomattavasti pidemmälle kuin aiemmin on oletettu.

Matemaattisessa voimien kuvauksessa, fyysikot olettavat, että nämä voimat heikkenevät seitsemännen potenssin etäisyydellä atomien välillä. Siten ne pitäisi olla vain noin yhden nanometrin alueella mutta näiden mittausten mukaan vetovoima toimisi aina sataan nanometriin saakka.

Ferrosähköisyys tehostuu kvanttimallinnuksella

Monessa sovelluksessa jo käytössä olevat ferrosähköiset materiaalit käyttäytyvät vähän kuin magneettiset mutta sähköllä, eikä magneettikentillä.

Koska muutokset ferrosähköisten polarisaatiossa aiheuttavat fyysisiä muodonmuutoksia ja päinvastoin, ilmiö tunnetaan pietsosähköisyytenä.

Ferrosähköiset ovat jo kaupallisesti merkittäviä "älykkäitä materiaaleja" erilaisia antureille, ultraääni-laitteille ja jopa nanomittakaavan moottoreille.

University of Pennsylvania kemistit tutkivat syvemmin ferrosähköisiä materiaaleja ja äskettäin julkaistussa tutkimuksessa he tuottavat uutta ymmärrystä näiden aineiden sisuksista.

Heidän kehittämä matemaattinen malli on rakennettu pikemminkin kvanttimekaniikan periaatteista kuin johdettu fyysisistä kokeista.

Puhtaasti kvanttimekaniikan periaatteilla toimiva selitys tarkoittaa, että materiaalitutkijoiden ei tarvitse pyrkiä poikkeukselliseen kidepuhtauteen suunnitellessaan tulevaisuuden ferrosähköisiä rakenteita.

Kvanttien rikkoutuminen

Kvantti-ilmiöt ovat aivan oma sarkansa varsinkin kun viime aikoina niistäkin on löytynyt rajat rikkovia ominaisuuksia.

Oak Ridge National Laboratoryssä on havaittu elektronin halkaisu tai fraktionalisointi todellisessa materiaalissa.

Yksi valonsäteen mitattavista ominaisuuksista on sen liikemäärämomentti. Tähän saakka on ajateltu, että kaikki mahdolliset valon liikemäärämomentit ovat Planckin vakion monikertoja.

Trinity Collegen tutkijat löysivät keväällä esitellyssä tutkimuksessaan valoa, jonka jokaisen fotonin liikemäärämomentti on vain puolet Planckin vakiosta. Ero aiempaan on pieni, mutta perustavanlaatuinen.

Kvanttiarvet

Kvanttiarvet on ilmiö, jossa klassisen mekaniikan mukaiset jaksolliset liikeradat jättävät jäljen vastaavan kvanttimekaanisen järjestelmän käyttäytymiselle keskeisiin ominaistiloihin.

Tampereen teknillisen yliopiston yhdessä Harvardin, MIT:n ja Tulanen yliopiston tutkijoiden kanssa ovat tutkineet paikallisten häiriöiden vaikutusta nanomittakaavan puolijohderakenteisiin ja löytäneet yllättäen, että häiriöt tuottivatkin säännöllisiä rakenteita kvanttimekaanisiin ominaistiloihin.

Erikoista häiriöiden aiheuttamassa arpeutumisessa on, että voimakkaita arpia muodostuu kosolti, vaikka häiriöt olisi ripotettu järjestelmään satunnaisesti.

Tämä on hyvä uutinen sovelluksille, koska säännöllisen radan voi valjastaa käyttöön paljon helpommin kuin satunnaisen joukon. "Kvanttiarvet" ohjaavat oikealle radalle - saavat elektronit liikkumaan tehokkaammin.

Elektronien nopeusrajoitukset

Mutta ennen kuin atomi- ja molekyylitasolle päästää riittää nykyisessäkin tekniikassa vielä kehittämistä.

Oak Ridge National Laboratoryn tutkijat tekivät vuonna 2014 ensimmäiset suorat havainnot siitä kuinka atomit liikkuvat (diffuusio) materiaalin sisällä. Tällä on merkitystä puolijohteiden seostuksen tarkemmassa tuntemuksessa.

Miltei koko puolijohdeteollisuus perustuu piin elektronien taipumukselle vapautua atomin kuoritasoilta ja niiden ohjailuun transistorien kautta kuljettamaan virtaa ja dataa.

Kansainvälinen tiimi fyysikoita ja kemistejä tukeutuen UC Berkeleyyn kuvasivat vuonna 2014 ensimmäisen kerran kyseisen hetkellisen tapahtuman. Tavallaan kyseessä on raja siitä kuinka nopeaa elektroniikka periaatteessa voi olla.

Kuvauksissa selvisi, että elektronien hyppy piiatomin valenssikuorelta kaistaeron yli elektronien johtumisalueelle kestää alle 450 attosekuntia.

Puolijohteen heräte valolla on perinteisesti mielletty kahden erillisen tapahtuman prosessiksi. Datansa analysoinnissa ryhmä löysi selviä merkkejä siitä, että tämä hypoteesi pitää paikkansa.

Kokeet osoittivat, että aluksi vain elektronit reagoivat iskevään valoon ja atomihila pysyy muuttumattomana. Noin 60 femtosekuntia myöhemmin kun laserpulssin heräte on jättänyt näytteen, havaittiin atomien kollektiivisen liikkeen syntyä eli hilavärähtelyjä.

Vuonna 2016 ETH Zurichin tutkijat selvittivät, miten nopeasti elektroneita voidaan viime kädessä ohjata sähkökentillä. Oivallukset ovat tärkeitä mahdolliselle tulevaisuuden petahertzien elektroniikalle.

Myös Max Planck Institute of Quantum Opticsin tutkijat, käyttäen ultranopeita laservälähdyksiä, generoivat ja mittasivat nopeinta sähkövirtaa kiinteän materiaalin sisällä.

Elektronit toteuttivat kahdeksan miljoonaa miljardia oskillaatiota sekunnissa, asettaen ennätyksen ihmisen hallitsemista elektroneista kiintoaineiden sisällä!

Helmikuu 2017