Veijo Hänninen

Monipuolinen perovskiitti

Kevään ja kesän aikana perovskiitti on ollut monen tiedeuutisen aiheena.

Sähköisten ja optisten tekniikoiden kannalta perovskiittien kaltaisilla yhdisteillä on monia mielenkiintoisia ominaisuuksia kuten suprajohtavuus, magnetoresistanssi, ioninen johtavuus sekä joukko erilaisia dielektrisiä ja ferrosähköisiä ominaisuuksia.

Perovskiitti-mineraali löydettiin Uralin vuoristosta vuonna 1856 mutta sen kiderakenne kuvailtiin tarkemmin vasta vuonna 1945.

Sellaisenaan sitä ei juurikaan löydy kuin monen sadan kilometrin syvyyksissä olevista maapallon vaippakerroksista mutta nykyisen nanoteknisen materiaaliosaamisen myötä perovskiitti-rakenteisia materiaaleja voidaan tuottaa synteettisesti.

Perovskiittiset materiaalit koostuvat monista atomeista ja varsin usein mukana on happi mutta on olemassa myös fluoride perovskiitejä sekä joukko metallisia perovskiittiyhdisteitä.

Uudenlaisia aurinkokennoja

Viime aikoina perovskiitti on erityisesti saavuttanut mielenkiintoa tulevaisuuden aurinkokennojen materiaalina. Vain muutamassa vuodessa sen muunnoshyötysuhde on noussut kilpailemaan perinteisten pii- ja GaAs-kennojen tasolle. Lisäksi niihin perustuvilla toteutuksilla on potentiaalia huomattavasti alempiin tuotantokustannuksiin.

Perovskiitit esiintyivät ensimmäisen kerran väriaineherkistetyissä aurinkokennoissa. Kun väriaine absorboi valon kennossa, se injektoi virittyneet elektronit puolijohteeseen kuten titaanidioksidin nanohiukkasiin, jotka kuljettavat varauksen pois tuottaen näin lopulta virtaa.

Perovskiitit ovat houkutteleva vaihtoehto korvata väriaineita, koska se imee valoa tehokkaasti laajalla spektrillä.

Kuin mustekenno

Väriaineherkistettyjen paneelien etuina ovat edullisuus ja valmistuksen helppous mutta tyypillisesti ne eivät kestä kovin pitkään koska niihin syntyy helposti nestemäisen elektrolyytin vuotoja tai kennon korroosiota.

Monet tutkijat ovatkin kehittäneet kiinteämpiä elektrolyyttejä mutta vuonna 2013 EPFL:n tutkijat keksivät käyttää tarkoitukseen perovskiittiä sekä valon kerääjänä että orgaanisena aukkojen kuljettajamateriaalina korvatakseen kennon elektrolyytin.

Puhtaasti orgaanisissa perovskiittikennoissa tarvitaan aukkojen eli positiivisten varausten kuljetukseen oma kerros. Kuitenkin orgaanisista aineista tehtynä se on hyvin kallista ja siltä puuttuu pitkän aikavälin vakaus.

Ryhmä tiedemiehiä Kiinasta yhteistyössä EPFL:n Michael Grätzelin kanssa ovat kehitelleet perovskiittisen aurinkokennon, jossa ei tarvita aukkoja kuljettavaa kerrosta. Ensimmäinen versio saavutti yli 6 prosentin hyötysuhteen mutta uusin saavutus on 12,8 prosenttia ja lisäksi sillä on yli 1000 tunnin vakaus.

Perovskiittiä ruiskumaalaamalla

Jo vuonna 2013 Oxfordin yliopistossa selvisi että höyrysaostettu perovskiittikenno voi toimia ilman titaanidioksidin nanohiukkasia. Se yksinkertaisti kennon arkkitehtuuria mutta piti silti muutonkerroksen tehokkuuden yli 15 prosentissa ilman hankalia nanorakenteita.

Nyt ryhmä tiedemiehiä Sheffieldin yliopistosta ovat valmistaneet perovskiittisia aurinkokennoja käyttäen spraymaalauksen prosessia.

Ruiskumaalaus tuhlaa hyvin vähän materiaalia ja se voidaan helposti skaalata suuren volyymin valmistukseen. Tekniikassa tavallaan yhdistyy orgaanisten kennojen tuotannon alhaiset energiakustannukset (matala prosessilämpötila) sekä materiaalin hyvä suorituskyky.

Sheffieldin ryhmä sai spraymaalatuille perovskite-kennojen prototyypille parhaimmillaan 11 prosentin hyötysuhteen.

Miten toimii hybridi perovskiitti

Vuonna 2013 Nanyang Technological Universityn (NTU) tutkijoiden tähtäimessä olivat uuden sukupolven aurinkokennot, jotka he kuitenkin valmistivat hybridistä orgaanisesta ja epäorgaanisesta perovskiitti-materiaalista.

Materiaali on tunnettiin jo entuudestaan kohtalaiseksi (15%) valosähkö muuttajaksi mutta sitä ei tarkkaan tiedetty miksi.

Tutkittaessa havaittiin, että perovskiittimateriaalissa auringon kehittämät elektronit voivat liikkua varsin pitkiä matkoja. Tämä mahdollistaa tehdä paksumpia kennoja, jotka absorboivat enemmän valoa.

Aiheessa on riittänyt tutkimista sillä tänä kesänä Notre Damen yliopiston tutkijat julkaisivat perustutkimuksia hybridin perovskiitin optisista ominaisuuksista. Nykyään niiden muunnostehokkuuskin on lähestymässä 20 prosenttia.

Laitteillaan he selvittivät mitä tapahtuu femtosekuntien kuluessa kun valo on imeytynyt hybridiin metyyliammonium-lyijyjodidiiin.

He totesivat, että virittynyt tila koostuu pääasiassa erillisistä ja selvästi erottuvista elektroneista ja aukoista. Yleensä ne esiintyvät orgaanisissa aurinkokennoissa erottamattomina eli eksitoneina, jotka sitten aiheuttavat omat hyötysuhdetta heikentävät rakennevaatimukset.

Grafeeni avuksi

Universitat Jaume I Castell ja University of Oxfordin tutkijat ovat puolestaan luoneet ja valokennoja, jotka perustuvat titaanioksidin ja grafeenin yhdistelmään. Yhdessä ne toimivat varausten kerääjinä kun perovskiitti toimii absorberina.

Muuntohyötysuhteeksi saatiin 15,6 prosenttia ja toteutus voitiin tehdä alle 150 asteen prosessilämpötilassa. Yleensä liuosperustaisissa perovskiittikennoissa hyvän muuntosuhteen saavuttaminen on vaatinut elektronien keräilykerroksen sinterointia 500 Celsius-asteessa.

Tehokas lyijy

Myös lyijyhalogenidisten perovskiittien puolijohteisiin perustuvat aurinkokennot ovat osoittaneet erittäin hyviä muunnostehokkuuksia ja erityisesti yli yhden voltin kennojännitteitä.

Kuitenkin, yksityiskohtainen kuvaus siitä, miten nämä aurinkokennot muuntavat valoa sähkövirraksi puuttui vielä alkuvuodesta 2014 vaikka niiden muuntohyötysuhde oli lähellä 16 prosenttia.

EPFL:n ja berliiniläisen Institute for Solar Fuelsin tutkijat ottivat selvää miten varaukset liikkuvat perovskiittipinnoilla.

Asiaa tutkittiin puolijohtavalla titaanidioksidilla ja eristävällä alumiinitrioksidikalvolla. Molemmat huokoiset kalvot kyllästettiin lyijy jodidi perovskiitillä (CH3NH3PbI3) ja orgaanisella aukkoja siirtävällä materiaalilla, joka auttaa ottamaan talteen positiivisia varauksia.

Tulokset osoittivat, että lyijyhalogenidi perovskiitit muodostavat ainutlaatuisen puolijohdemateriaalin aurinkokennoille, mahdollistaen ultranopeat elektronien ja positiivisten varausten siirrot kahdessa liitoksessa samanaikaisesti ja kuljettaen molempia varauskuljettajia varsin tehokkaasti.

Lyijy on myrkyllistä

Lyijy on kuitenkin huolestuttanut mahdollisia perovskiittikennojen valmistajia sillä se on myrkyllistä ja liukenee helposti esimerkiksi sateen vaikutuksesta.

Northwestern yliopiston tutkijat ovat kehittäneet aurinkokennoja, joissa käytetään tinaversiota lyijyperovskiitin sijasta. Tutkijoiden mukaan tinapohjainen perovskiittikerros toimii tehokkaasti auringonvalon absorberina kahden sähkövarausten kuljetuskerroksen välissä.

Alkuun saavutettu hyötysuhde on hieman alle 6 prosenttia mutta tutkijat uskovat että rakenteella pitäisi saavuttaa lyijyversiota vastaavia 15 prosentin ja ylikin olevia muuntohyötysuhteita.

No, kaikki eivät pelkää lyijyä. MIT:n tutkijat ehdottavat käytettyjen autonakkujen lyijyn käyttöä materiaalina perovskiittisille aurinkokennoille.

Vanhoista akuista saadaan kierrätettyä lyijyä, joten se ei päädy kaatopaikoille eikä sitä tarvitse louhia vaarallisesti kaivoksista.

Päivällä aurinkokenno ja yöllä valopaneeli

Singaporealaisen Nanyangin teknillisen korkeakoulun (NTU) tutkijat ovat kehittäneet perovskiitistä aurinkokennon joka voi toimia yöllä valopaneelina.

Ostoskeskuksen julkisivu voi kerätä aurinkoenergiaa päivällä ja muuttua yöllä valomainokseksi.

Löytö tehtiin lähes sattumalta, kun tutkijat heijastivat laserilla kehittämäänsä orgaanis-epäorgaanista perovskiittiä. Yllättäen kenno hehkui kirkkaasti, kun lasersäde osui siihen. Yleensähän aurinkokennomateriaalien ei odoteta tuottavan valoa.

Lisäksi materiaali voidaan räätälöidä emittoimaan eri värejä. Materiaalille on osoitettu myös suoraviivainen näkyvän spektrin viritettävyys (390-790 nm).

Erittäin luminoiva perovskiitti-materiaali sopii myös laserien tekoon uskovat tutkijat. Sen seurauksena voisi tuottaa elektronisia laitteita, joissa materiaali on valon lähde, ilmaisin ja ohjain.

Ledejä perovskiitistä

Cambridgen ja Oxfordin sekä Ludwig-Maximilians yliopistojen tutkijat ovat puolestaan tehneet perovskiitti-materiaaleista kirkkaita ledejä.

He tekivät niitä organometalli halidi perovskiitistä, joka sisältää seoksen lyijyä, hiili-pohjaisia ioneja ja halogeeni-ioneja. Nämä materiaalit liukenevat hyvin tavallisiin liuottimiin ja saostuessaan muodostavat perovskiitti-kiteitä, joten kyseiset ledit ovat halpa ja helppo tehdä.

"Nämä organometalliemäs halogenidi perovskiitit ovat merkittäviä puolijohteita," toteaa Zhi-Kuang Tan. "Olemme suunnitelleet diodirakenteen, joka rajoittaa sähkövarauksia hyvin ohueen perovskiittikerrokseen, joka asettaa olosuhteet elektroni-aukko kaappausprosessille tuottamaan valoemissiota."

Ryhmä etsii nyt keinoja tehostaa ledejään ja käyttää niitä mahdollisesti jopa diodilasereina. Ensimmäiset kaupalliset perovskiittiledit voisivat olla käytettävissä viiden vuoden kuluessa arvioivat tutkijat.

Uutta sähkön varaustekniikkaa

Texasin Austinin yliopiston ja Oak Ridge National Laboratory (ORNL) tutkijat ovat kehittäneet uudenlaisen pseudokondensaattorin, joka voi johtaa laiterakenteisiin, jotka voivat varastoida sähköä tiheämmin ja ladata tai purkaa nopeammin kuin muunlaiset varaavat kondensaattorit ja akut.

Uusi rakenne on ensimmäinen, joka hyödyntää happianioneita (negatiivisesti varautuneet ionit) kationien sijasta (positiiviset ionit) energiaa varastoidakseen.

Aiemmat vastaavat tutkimukset ovat keskittyneet kationien käyttöön mutta tutkijoiden mukaan uusi anioni-pohjainen mekanismi tarjoaa uuden paradigman sähkökemialliseen energian varastointiin.

Tutkimuksessa käytettiin perovskiitti-materiaalia (LaMnO3). Sen rakenne sisältää vapaita sivustoja, joihin happianionit voidaan varastoida. Tärkein etu happi-ioneista on, että ne voivat teoriassa varastoida energiaa kaksinkertaisesti, tarjoamalla varastointiin kaksi elektronia per ioni.

Toinen etu on, että kationi-pohjaisissa pseudokondensaattoreissa käytetään kalliita metalleja kun tässä ratkaisussa voidaan käyttää edullisempia metalleja.

Faraidisesti toimiva pseudokondensaattori muodostaa yhdessä sähköisen kaksikerroskondensaattorin (EDLC) kanssa superkondensaattorin. Toisin kuin paristoissa, faradisessa varastoinnissa varauksensiirtoionit kiinnittyvät yksinkertaisesti elektrodin atomirakenteeseen. Näin sen nopeat hapetus-pelkistys-reaktiot tekevät latauksen ja purkamisen paljon nopeammaksi kuin akuissa.

Vahvasti korreloivia oksidipintoja

Oak Ridge National Laboratory tekemässä tutkimuksessa selvitettiin, kuinka happi vaikuttaa perovskiitti-manganiitin pintaan, monimutkaiseen materiaaliin, jossa ilmenee dramaattista magneettista ja elektronista käyttäytymistä.

Uusi tapa ymmärtää pinnan käyttäytymistä voisi hyödyttää tutkijoita, jotka ovat kiinnostuneita käyttämään erilaisia korreloituja oksidimateriaaleja sellaisiin sovelluksiin kuten kiinteät polttokennot tai happianturit.

"Pinnan ominaisuudet ovat avainasemassa herkissä sovelluksissa, koska pinta ohjaa vuorovaikutusta ulkomaailman kanssa," toteaa yksi kirjoittajista Art Baddorf.

Joukkueen tulokset korostavat miksi materiaaleja kutsutaan "vahvasti korreloiviksi:" koska kemialliset ja fyysiset toiminnot ovat kytkeytyneet toisiinsa, jokainen pieni muutos voi vaikuttaa koko järjestelmään toteavat tutkijat.

Metallista eristeeksi

Huhtikuussa 2014 Cornell Universityn ja Brookhaven National Laboratoryn tutkijat kertoivat osoittaneensa, kuinka muuntaa tiettyä siirtymämetallien oksidia, lantaani-nikkelaati (LaNiO3), metallista eristeeksi valmistamalla materiaali alle nanometrin paksuiseksi. Materiaalilla on tunnetusti hieman vääristynyt perovskiittirakenne.

Tulokset osoittavat kykyä hallita sähköisiä ominaisuuksia nanometrien mittakaavassa. Lisäksi ne paljastavat vuorovaikutuksia, jotka ohjaavat elektronien käyttäytymistä näissä ultraohuissa materiaaleissa.

Löytö avaa tietä tehdä uudenlaisia elektronisia laitteita oksideista. Tutkimukset tällä niin sanotun oksidielektroniikan alueella koskevat laajaa oksidien heterorakenteiden valikoimaa mineraaliluokassa, jotka tunnetaan perovskiitteinä.

Oksidit ovat tavallisesti eristeitä mutta niistä löytyneet erikoiset sähköiset ominaisuudet elektroniikan materiaalien kehittäjiä.

Elokuu 2014

Veijo Hänninen

Lämmönhallinnan uudet konstit

Lämmön hallinta on keskeinen osa elektroniikan käytännön tekniikkaa. Perinteisesti homma hoidetaan alumiinin ja kuparin avulla mutta yhä pienemmät piiriosat vaativat uudenlaisia ratkaisuja.

Lämmönhallintaa atomitasolla

Michiganin yliopistossa toiminut tutkijaryhmä on selvitellyt tapoja, joilla lämpö käyttäytyy nanomittakaavassa. Klassinen fysiikka kun ei sitä osaa kuvata. Nanoluokan lämpömittarin avulla tutkijat pystyivät osoittamaan kokeellisesti, miten atomitason järjestelmä lämpenee ja miten tämä eroaa makrotason prosessista.

Sähkön kulkiessa makrotason johteessa, koko materiaali lämpenee. Atomitason laitteissa, lämpeneminen keskittyy yhteen paikkaan ja vähemmässä määrin muihin paikkoihin, toteaa tutkimusta vetänyt Pramod Reddy.

Työn tulokset vahvistavat lämmön hajaantumisen teorian pätevyyden, jota alun perin ehdotti IBM:n fyysikko Rolf Landauer.

Työ antaa myös syvemmän ymmärryksen lämmöntuoton ja atomitason lämpösähköilmiön suhteesta, eli Peltier-ilmiöstä, joka muuntaa lämpöä sähköksi.

Fononien spektrit

University of Toronto Engineeringin tutkijat, yhdessä Carnegie Mellon Universityn kollegoiden kanssa ovat julkaisseet uusia oivalluksia siitä, miten materiaalit siirtävät lämpöä.

Kiinteissä eristemateriaaleissa lämpö siirtyy atomien värähtelyjen paketteina joita kutsutaan fononeiksi. Valon tapaan ne esiintyvät spektreinä ja tutkijat kehittivät työkalun, jolla voi mittailla, kuinka eri spektrien fononit edistävät lämmönjohtavuutta kiintoaineessa.

Tutkijoiden mukaan, uusi työkalu antaa sekä teollisuudelle että tiedeyhteisölle selkeämmän kuvan siitä, miten elektronisen laitteen kyky haihduttaa lämpöä kutistuu sen koon mukana ja miten materiaalit voidaan rakentaa nanomittakaavassa muuttaen niiden lämmönjohtavuutta.

Välittömin sovellus tällekin työlle on suunnitella nanorakenteisia lämpösähköisiä materiaaleja, joille saadaan parempi tehokkuus muuntaa hukkalämpöä sähköenergiaksi.

Uusia ratkaisuja lämmönhallintaan

Purduen yliopistossa on tutkittu teknologiaa, jolla voisi hallita lämpövirtauksia diodien tapaan.

Simuloinnilla tutkitussa menetelmässä ajatuksena on käyttää pieniä kolmiorakenteita hallitsemaan fononeita eli hilavärähtelyjä. Simulaatiot osoittivat, että nanomittaiset rakenteet pystyvät lämmön kulun suuntaamiseen.

Tutkijat kokeilivat lämmön suuntausta epäsymmetrisellä grafeenin nanonauhoilla mutta ilmiö havaittiin myös muissa materiaaleissa sellaisissa rakenteissa, kuten pyramidi, puolisuunnikas tai T-malli.

Mekanismi toimii rajoittamalla fononivärähtelyjä, kun ne liikkuvat nanomittaisen epäsymmetrisen rakenteen läpi. Jotta rajaus voidaan tuottaa, rakenteen poikkileikkauksen on oltava paljon pienempi kuin fononien ”keskimääräinen törmäysväli" eli vain muutamia satoja nanometriä.

Vaikka laitteiden on oltava pieniä, ne voitaisiin yhdistää sarjaan tuottamaan suurempia rakenteita ja parempaa suuntausta.

Lämmönjohtumista nanorakenteiden avulla

Tänä keväänä myös Jyväskylän yliopiston nanotiedekeskuksen tutkijat kertoivat osoittaneensa ensimmäistä kertaa, että aineen lämmönjohtumista on mahdollista muuttaa nanoskaalan rakenteiden avulla.

Tutkijat valmistivat fononikiteen, jonka mittakaava on samaa luokkaa kuin lämpöä kuljettavien fononien aallonpituus eli noin mikrometrin. Tällöin fononiaallot vuorovaikuttavat hyvin voimakkaasti rakenteen kanssa ja muuttavat etenemisnopeuttaan lähes kertaluokalla.

Koska aallot etenevät paljon hitaammin, on lämmönjohtavuus myös paljon pienempi. Kokeet tehtiin lähellä absoluuttista nollapistettä, jotta fononien aallonpituus olisi tarpeeksi pitkä koerakenteen valmistamiseksi.

Metamateriaaleja lämmönhallintaan

Erilaisilla metamateriaaleilla tuotetut näkymättömyysviitat ovat innostaneet tutkijoita selvittämään vastaavien mahdollisuuksia myös ääniaaltojen ja lämpövirtausten ohjailuun.

Georgia Institute of Technologyn tutkijoiden mukaan se onkin kuumin kenttä fononiikassa. Tarkoituksen on kehittää akustisia ja lämpöteknisiä metamateriaaleita, jotka pystyvät peittämään ääniaaltoja ja lämpövirtausta.

Muun muassa MIT:n entinen tutkija Martin Maldovan on esitellyt keksintöä, joka ohjaa lämmön johtumista termokiteiden kautta ohjaamalla lämpövirtaa tietyillä taajuuksilla. Tekniikka saattaa johtaa laitteisiin, jotka muuntavat lämpöä energiaksi tai termisiin diodeihin.

Myös Karlsruhe Institute of Technologyn (KIT) tutkijat ovat osoittaneet, että metamateriaaleja voidaan käyttää ohjaamaan lämmön siirtymistä.

KIT:n tutkijat yhdistivät ohuen kuparilevyn rengasmaisiin piirakenteisiin, jolloin syntyi materiaali, joka johtaa lämpöä eri suuntiin eri nopeuksilla.

Kun tätä metamateriaalia kuumennetaan toisesta reunasta, lämpö ei siirry rakenteen keskiosaan eikä ulkopuolella ei ole mitään viitteitä siitä, mitä sisällä tapahtuu. Täten tekniikalla voidaan suojata jokin kohde muualta tulevalta lämmöltä.

Timanttia ja hiilinanoputkia

Synteettisiä timanttialustoja käytetään jo lämmönjohteena vaativissa RF-järjestelmissä.

Rice University ja Honda Research Institute ovat kehittäneet erityisen timanttikalvon eli grafeenin ja nanoputkien yhdistelmän, joka toimii erittäin hyvänä lämmönsiirtomateriaalina.

Timantti johtaa lämpöä viisi kertaa paremmin kuin kupari mutta sen käytettävissä oleva pinta-ala on hyvin pieni toisin kuin grafeenilla ja hiilinanoputkilla.

Pystysuuntainen timantille kasvatettu hiilinanoputkien metsä haihduttaa lämpöä erittäin tehokkaasti.

Berkeley Labin tutkijat ovat myös kehittäneet piirivalmistukseen sopivaa tekniikkaa, joka mahdollistaa jäähdyttää mikroprosessorisiruja hiilinanoputkien kautta.

Hiilinanoputkilla on hyvä lämmönjohtavuus, mutta koska ne ovat kemiallisesti vakaita, niiden kemiallinen vuorovaikutus useimpien muiden materiaalien kanssa on suhteellisen heikko, mikä tuottaa huonon termisen rajapinnan.

Tutkimustyössä käytettiin orgaanisia molekyylejä muodostamaan vahvoja kovalenttisia sidoksia hiilinanoputkien ja metallipintojen välille. Tämä parantaa lämpövirtaa metallista hiilinanoputkiin kuusinkertaisesti.

Grafeeni avuksi

North Carolina State Universityn tutkijoiden kehittämä lämpöä siirtävä materiaali perustuu kupari-grafeeni komposiittikalvon, joka liitetään elektroniikkapiiriin indium-grafeenisen rajapintakalvon avulla.

Sekä kupari-grafeenilla että indium-grafeenilla on luonnollisia materiaaleja suurempi lämmönjohtavuus, jolloin komponentti voi jäähtyä noin 25 prosenttia nopeammin kuin puhtaalla kuparilla.

Ruotsalaisen Chalmers University of Technologyn johtama tutkijaryhmä on osoittanut, että grafeenilla on lämpöä siirtävä vaikutus myös piielektroniikassa.

Kerros grafeenia voi vähentää esimerkiksi prosessorin kuumimman pisteen toimintalämpötilaa jopa 25 prosenttia.

Aihetta tutkitaan laajemminkin ja nyt on havaittu, että koska grafeeni vaatii tulevissa sovelluksissa jonkin toisen materiaalin kaverikseen, niin sen lämmönsiirtotehokkuus heikkenee.

Uusi jäähdytysmateriaali

Ryhmä teoreettisia fyysikoita US Naval Research Laboratoryssä (NRL) ja Boston Collegessa ovat tunnistaneet booriarsenidin materiaaliksi, jolla on erittäin hyvä lämmönjohtavuus eli mahdollisuus siirtää lämpöä tehokkaammin kuin timantti.

Laskennallisesti kuutiollisen III-V booriyhdisteen lämmönjohtavuus boori arseenissa (BAS) on huoneenlämmössä yli 2000 wattia per metri ja Kelvin-aste. Arvo on verrattavissa timanttiin ja grafiittiin.

Toisin kuin metallit, joissa elektronit kuljettavat lämpöä, timantti ja boori arsenide ovat sähköisesti eristeitä. Eristeissä lämmön kulku tapahtuu hilavärähtelyjen avulla ja luontainen resistanssi lämpövirralle on tulosta näiden aaltojen sironnasta toinen toisistaan.

Eristeestä hyvää lämmönjohdetta

Polymeerimateriaalit ovat yleensä lämmöneristeitä.

Mutta hyödyntämällä sähköpolymerisaatiota tuottamaan linjattuja ryhmiä polymeerisia nanokuituja, Georgia Techin tutkijat ovat kehittäneet lämmönhallintamateriaalin, joka kykenee johtamaan lämpöä 20 kertaa paremmin kuin alkuperäinen polymeeri.

Tutkimuksia vetäneen Baratunde Colan mukaan sitä voidaan käyttää luotettavasti jopa 200 asteen lämpötiloissa. Se toteuttaa termisen rajapinnan vain kolmen mikronin ohuisena kuin perinteiset materiaalit ovat yleensä 50 - 75 mikronia paksuja.

Lisäksi parhaimmistakin lämpörajapintamateriaaleista, vain alle yksi prosentti aineesta on itse asiassa kosketuksissa pintoihin. Tutkijat ryhtyivätkin etsimään materiaalia, joka voisi tarjota paremman kontaktin rajapintaan eikä niinkään materiaalia, jolla on korkea lämmönjohtavuus.

Idea tähän suunnanmuutoksen löytyi kirjasta, jossa kuvataan "Gecko jalka"-sovellusta, jossa aineesta arviolta 80 prosenttia tekee kontaktin pintaan.

Uusvanhoja jäähdytystapoja

Myös erilaisia vanhoja jäähdytyskeinoja pyritään tuomaan yhä kutistuvaan elektroniikkaan.

Espanjalaisen CICnanoGUNEn -tutkimuslaitoksen ja University of Cambridgen tutkijat ovat kehittäneet mikropiireille soveltuvan magneettisen jäähdytystekniikan.

Tutkijat keksivät käyttää materiaaleja jännitettyinä, jolloin menetelmä mahdollistaa hyvin paikallisesti hallitun jäähdytysmenetelmän, häiritsemättä muita samassa laitteessa olevia osia.

Optisen jäähdytyksen idea on sekin peräisin 1920-luvulta mutta vasta vuonna 2013 sellainen onnistuttiin toteuttamaan puolijohteelle.

Nanyangin teknillisen korkeakoulussa (NTU) onnistuttiin jäähdyttämään puolijohdetta laserilla +20 asteisesta -20 Celsius-asteeseen.

NTU:n tutkijoiden materiaalina oli kadmiumsulfidi, jota käytetään aurinkokennoissa, antureissa ja elektroniikassa.

Jatkossa tutkijoilla on tarkoitus tuoda puolijohteen laserjäähdytys vieläkin kylmempiin lämpötiloihin, jolloin tekniikalla voisi toteuttaa esimerkiksi sairaaloiden nestemäisellä heliumilla jäähdytettyihin MRI-laitteisiin pienikokoisen optisen jäähdytyslaitteen.

Enemmän perinteisillä linjoilla

National University of Singaporen (NUS) tutkijat ovat kehittäneet lähempänä käytäntöä olevan tehokkaan tavan jäähdyttää sähköisiä järjestelmiä. Sen avulla voi saavuttaa jopa 50 prosenttia paremman jäähdytyksen verrattuna nykyisiin jäähdytysjärjestelmiin.

Järjestelmää voidaan soveltaa niin suuriin laitoksiin kuin myös pieniin elektronisiin laitteisiin. Se on myös kustannustehokas, koska järjestelmä ei vaadi pumppuja tuottaakseen jäähdytysnesteen virtauksen.

Jos se toteutetaan esimerkiksi voimalaitoksiin, järjestelmä pystyy siirtämään valtavasti lämpöä, joka voidaan käyttää uudelleen ylimääräisenä energialähteenä.

Tekniikka toimii hyödyntäen kahdentyyppisiä haihdutusrakenteita eli mikrorakoja sekä mikrokanavia, joissa on porrastettuja jäähdytysripoja.

Tämä kaksivaiheinen menetelmä perustuu "virtaus-kiehutus" konseptiin. Ensinnäkin, jäähdytysneste virtaa pitkin järjestelmää ja siirtyy mikrorakoihin jossa se poimii lämmön ja saavuttaa kiehumispisteen. Seuraavaksi, jäähdytysneste muuntuu nesteestä höyryksi ja absorboi muutosprosessin latentin lämmön.

Jotta kiehutusprosessi syntyisi, tutkijoiden oli suunniteltava mikrorakojen pinta sellaiseksi, että se edistää höyrykuplien muodostumista. Jotta järjestelmä toimisi hyvin, on huomioitava jäähdytysaineen virtaukselle tarkoitettujen aukkojen koko sekä pinnan tekstuuri.

Magneettisuutta vesikiertoon

Massachusetts Institute of Technologyn (MIT) johdolla joukko kansainvälisiä tutkijoita ovat kokeilleet tehostaa vesikiertoista lämmönsiirtojärjestelmää magneettikenttien avulla.

Menetelmän avulla voisi erityisesti estää kuumien pisteiden syntymisen. Tutkijoiden mukaan järjestelmää voisi soveltaa jäähdyttämään sekä elektronisia laitteita että fuusioreaktoreita.

Järjestelmä perustuu pienien magnetiittisten hiukkasten lietteeseen. Liete virtaa jäähdytysputkissa ja sitä manipuloidaan ulkopuolelle sijoitetuilla sähköisesti ohjatuilla magneeteilla.

Kun magneettisuutta ei ole neste käyttäytyy kuten vesi mutta magneettisuuden läsnä ollessa lämmönsiirtokerroin on parhaassa tapauksessa noin 300 prosenttia parempi kuin pelkällä vedellä.

Magneetit houkuttelevat partikkeleita lähemmäksi putken pintaa, parantaen näin lämmön siirtoa pois nesteestä putken seinien läpi.

Tällainen järjestelmä olisi epäkäytännöllinen sovellettavaksi koko jäähdytysjärjestelmään mutta voisi olla hyödyllinen erityisesti kuumien pisteiden jäädyttämiseen vain tarvittaessa. Esimerkiksi "Lab on a Chip" mikrojärjestelmissä voisi olla hyötyä valikoivasta jäähdytyksestä.

Yhden ionin lämpövoimakone

Johannes Gutenbergin yliopiston Mainzista (JGU) ja University of Erlangen-Nürnbergin tutkijat työskentelevät lämpömoottorin parissa, joka koostuu vain yhdestä ionista. Tällainen nanokokoinen lämpövoimakone voisi olla paljon tehokkaampi kuin esimerkiksi auton moottori tai hiilivoimala.

Toistaiseksi vasta mallinnettu nanokone ylittäisi tehokkuudessa lämpömoottoreiden niin sanotun Carnotin rajan. Kuitenkin koska yhden ionin koneella on erittäin alhainen mekaaninen kapasiteetti, sitä voitaneen käyttää vain lämmitykseen tai jäähdytykseen nanoteknologiasovelluksissa.

Tutkimuksen päätavoitteena on ymmärtää paremmin, miten termodynamiikka toimii hyvin pienissä mitoissa. Jatkossa on tarkoitus kehittää alustaviin kokeisiin sopiva lämpömoottori ja rakentaa siitä prototyyppi laboratoriossa.

Lisää lämpöä?

Buffalon yliopistossa tehty tutkimus taas vihjaa, että tietokoneet ja muut elektroniset laitteet voisi tehdä vakaammiksi, lämpöä lisäämällä?

Tällainen nurinkurinen idea perustuu elektronien kvanttimekaaniseen luonteeseen. Nanojohteessa virta koostuu elektroneista, jotka spontaanisti muodostavat johteessa kapean johtavan säikeen, mikä lisää lämmön määrää, joka kiertää mikrosirun nanotransistoreissa ja näin vaikuttaen lämpenemistä vastaan.

"Emme oikeastaan poista lämpöä, mutta olemme onnistuneet pysäyttämään se vaikutuksen sähköverkossa. Tavallaan tämä on nykyisen paradigman optimointia ", toteaa Jong Han, joka kehitti havainnot selittävät teoreettiset mallit.

Tämä kollektiivinen tasapainoton tila on havaittu laajalla lämpötila-alueella (4,2-300 K) ja se voi tarjota tehokkaita keinoja hallita elektroni-phononi sirontaa nanomittakaavan laitteissa.

Toukokuu 2014 

Veijo Hänninen

Elektroniikkaa kaksiulotteisesti

Sitten grafeenin löytämisen kaksiulotteiset materiaalit ovat olleet monipuolisen tutkimuksen kohteena. Grafeeni on hyvä johde mutta sillä ei ole aktiivikomponenteissa tarvittavaa kaistaeroa. Joten tarvitaan jotain muuta.

Piin korvaajaksi tulevaisuuden elektroniikalle onkin etsitty vaihtoehtoja. Sellaiseksi esittivät vuonna 2011 EPFL-korkeakoulun Laboratory of Nanoscale Electronics and Structuresin (LANES) tutkijat molybdeenihohdetta.

Vuona 2012 he todistivat ehdotuksensa toimivuuden tuottamalla ensimmäisen molybdeniittiin perustuvan mikropiirin.

Molybdeenidisulfidi (MoS₂) on melko runsas luonnossa esiintyvä mineraali. Sen rakenne ja puolijohtavat ominaisuudet tekevät siitä ihanteellisen materiaalin transistoreille. Piihin verrattuna siitä voidaan valmistaa erittäin ohuita kalvoja ja grafeeniin verrattuna sillä on luonnostaan oma 1,8 elektronivoltin kielletty energiavyö.

Energiaraon vuoksi molybdeeni/rikki (tai volframi/rikki) materiaalit ovatkin elektroniikkateollisuutta kiinnostavia. Ne ovat teknisesti kaksiulotteisia materiaaleja vaikka niissä on metallikerros keskellä ja rikkiatomit ylä- ja alapuolella, mutta ne ovat liittyneet kovalenttisidoksin hunajakennomaiseksi hilaksi.

Elektronien liikkuvuus on kuitenkin molybdeenidisulfidissa liian alhainen käytännön piireihin mutta tämän puutteen EPFL:n tutkijat korjasivat käyttämällä halfniumoksidia porttieristeenä mikä nosti liikkuvuuden vastaavalle tasolle kuin grafeeniliuskoilla.

Myös MIT:n tutkijat tuottivat vuonna 2012 monimutkaisia elektronisia piirejä yhden molekyylin paksuisesta molybdeenidisulfidista. He valmistivat siitä invertterin, NAND-veräjän, peruslogiikkaa sekä muistipiirin ja rengasoskillaattorin.

Molybdeenidisulfidista voisi tehdä myös suuria näyttöjä, joissa erillinen transistori ohjaa kutakin näytön yksittäistä pikseliä. Materiaalia voidaan käyttää myös yhdessä muiden 2D-materiaalien kanssa, jotta saadaan aikaan valoa tuottavia laitteita.

Materiaali on niin ohut, että se on täysin läpinäkyvä ja se voidaan sijoittaa käytännöllisesti katsoen mihin tahansa muuhun aineeseen. Esimerkiksi MoS₂ voitaisiin soveltaa lasiin, tuottamaan silmälaseihin tai kodin tai toimiston ikkunaan rakennettu näyttö.

Flash-muisti grafeenista ja molybdeniitistä

Vuoden 2013 alussa EPFL:n tutkijat esittelivät flash-muistin, joka oli valmistettu yhdistämällä grafeenin ja molybdeniitin ominaisuudet yhdeksi muistisoluksi.

Kehitetyn prototyypin MoS₂-kanavatransistori on grafeenielektrodin päällä ja sen päällä on edelleen monikerroksinen grafeenista koostuva varausansa.

Yksikerroksinen MoS₂-transistori on erittäin herkkä ansakerroksen varauksille, jolloin tuloksena on 10⁴ -kertainen ero muistin tallennus- ja tyhjennystilan välillä.

Kultaiset portit molybdeenidisulfidille

Myös Kansas State Universityn kemian insinöörit ovat tutkineet molybdeenidisulfidia ja todenneet, että sen manipuloiminen kulta-atomeilla parantaa sähköisiä ominaisuuksia.

Tutkijaryhmä havaitsi molybdeenidisulfidin pinnalla olevalla rikkiryhmällä olevan vahva kemia jalometallien kuten kullan kanssa. Luomalla näiden välille sidoksen, huomattiin, että sidos toimi tehokkaana porttikondensaattorina.

- Tutkimus osoittaa tietä seuraavan sukupolven elektroniikan ja fotoniikan atomisesti yhdistelyille kerroksittaisille heterorakenteille, joissa vaikuttavat kapasitiiviset vuorovaikutukset, toteaa tutkimusryhmän vetäjä Vikas Berry yliopistonsa tiedotteessa.

Tutkimus tukee myös selvityksiä molybdeeni-grafeeni -perustaisista elektronien tunnelointitransistoreista, tarjoamalla tavan elektrodin suoralle liittymiselle molybdeenidisulfidin tunnelointiportilla.

Kullan yhdistäminen molybdeenidisulfidille tarjoaa toteutustavan transistoreille, biokemiallisille antureille, plasmonisille laitteille sekä katalyyttiselle alustalle.

Elektronien seostusta ja siirtoa

Yhdysvaltalaiset tutkijat ovat onnistuneet pintavarauksien siirron avulla seostamaan elektroneja muutaman kerroksiseen volframidiselenidiin (WSe₂) ja molybdeenidisulfidiiin (MoS₂).

Pintavarausten siirto seostusmekanismina on täysin erilainen, kuin tavanomainen puolijohdeseostus, jossa lisäaineatomit korvaavat puolijohteen hilan atomeja. Pintavarauksien siirrosta ei siten aiheudu kidevikoja, kuten perinteisessä seostuksessa.

Varauksien siirto onnistui höyryttämällä kaliumatomeja 2D-kerroksen päälle ja tuloksena olivat sellaiset elektronien tiheydet, että ne muodostavat ohmisen metallikontaktin niistä valmistettaviin piireihin.

Liityntäresistanssi rajoittaakin usein ultraohuiden nanoelektroniikan laitteiden suorituskykyä, toteaa tutkimusryhmän johtaja Ali Javey University of California at Berkeleystä aiheesta raportoineella nanotechweb.org -sivuilla.

Kalifornian Santa Barbaran ja Notre Damen yliopistojen tutkijat ovat puolestaan saaneet kohtuullisia virtoja kulkemaan transistorissa, joka on valmistettu yksikerroksisesta wolframidiseleenistä (WSe₂, tungsten diselenide).

Yksikerroksinen WSe₂ on kuin grafeeni. Sillä on kuusikulmainen atomirakenne ja massana se muodostuu kerroksista joita pitää yhdessä suhteellisen heikot Van der Waalsin voimat. Kuitenkin WSe₂:lla on grafeenista poiketen 1,6 elektronivoltin kaistaero.

Löytö oli kesällä 2013 ensimmäinen osoitus n-tyyppin WSe₂ kenttävaikutustransistorista (FET). Lisäksi siihen oli valittu kontaktimetalliksi, indium (In), joka tuottaa WSe₂:n kanssa pieniohmisen kosketusresistanssin.

Useampia materiaaleja yhdistäen

Rice Universityn tutkijat kertoivat keväällä 2013 luoneensa rakenteita, joissa yhdistyvät yhden atomin paksuisina grafeeni ja boorinitridi.

Mahdollinen grafeenielektroniikka edellyttää samankaltaisia, yhteensopivia kaksiulotteisia materiaaleja muiksi osiksi ja tutkijat ovat havainneet, että kuusikulmainen boorinitridi (h-BN) toimii hienosti eristeenä.

Valomaskien avulla boorinitridiin syntyneisiin aukkoihin kasvatettiin grafeenia, joka sitoutui reunoiltaan boorinitridin kanssa. Näin koostunut yksikerrosrakenne voidaan sitten irrottaa siirtää jollekin toiselle alustalle.

Kuviointia voidaan tehdä myös keskitetyllä ionisuihkujärjestelmällä. Kuvan atomipaksuinen pöllökuvio on boorinitridiä ja vaaleampi materiaali sen ympärillä on grafeenia.

Kesällä 2013 Rice Universityn ja Oak Ridge National Laboratoryn (ORNL) tutkijat olivat edenneet tavoitteeseen hallita yhtenäisen molybdeenidisulfidin (MDS) kasvua.

Tällä kertaa toiveena oli, että MDS voitaisiin liittää yhteen grafeenin ja boorinitridieristeen kanssa muodostamaan fet-transistoreita, integroituja piirejä, valoilmaisimia ja joustavaa optoelektroniikkaa.

Kyseiset materiaalit ovat kuitenkin hyvin erilaisia ja niitä kasvatetaan erilaisissa ympäristöissä. MDS eroaa grafeenista ja boorinitridistä siten, että se ei ole aivan tasainen. Ricen tutkijat näkevät kuitenkin monia mahdollisuuksia yhdistää materiaaleja kaksiulotteisesti kalvoiksi mutta myös kolmiulotteisiksi pinoiksi.

- Luonnolliset kiteet rakentuvat van der Waalsin voimien sidoksista mutta ne ovat kaikki samaa koostumusta. Nyt on mahdollisuus rakentaa 3D-kiteitä erilaisin koostumuksin, toteaa tutkimuksia vetänyt Jun Lou.

- Nämä ovat hyvin erilaisia materiaaleja, erilaisine sähköisine ominaisuuksineen. Latomalla niitä yhden toisensa päälle antaisi meille uudentyyppistä materiaalia, jota kutsumme van der Waalsin kiinteäksi (van der Waals Solids) toteaa tutkijakollega Pulickel Ajayan yliopiston tiedotteessa.

Uudet haastajat

Alkuvuodesta 2013 australialaisten CSIRO-tutkimuslaitoksen ja RMIT Universityn tutkijat esittelivät jälleen uuden kaksiulotteisen materiaalin.

Tutkijoiden kehittämä uusi nanomateriaali koostuu kerroksittaisista MoO₃-arkeista, joissa elektronit voivat viuhahtaa läpi suurilla nopeuksilla ja minimaalisella sironnalla.

Työssään tutkija esittävätkin, että kaksiulotteiset puolijohtavat metallioksidit, joilla on korkea dielektrisyysvakio (high-κ) tarjoavat ratkaisun saavuttaa korkea elektronien liikkuvuus.

He onnistuivat laskemaan molybdeenioksidin energiaraon arvon tasolle, josta voidaan valmistaan kaksiulotteisia piirejä. Näin syntyi kahdeksasta MoO₃-atomikerroksesta 11 nanon paksuinen fetti, jossa varauksenkuljettajien liikkuvuus on yli 1100 cm²/Vs eli samaa luokkaa kuin kaksiulotteisella piillä.

Nopeampaa kuin pii

Ohio State Universityn kemistit puolestaan kehittivät tekniikan tehdä yhden atomin paksuisia levyjä germaniumista ja mittailivat, että ne johtavat elektroneja yli kymmenen kertaa nopeammin kuin pii ja viisi kertaa nopeammin kuin perinteinen germanium.

Syntynyt germanane-materiaali on kemiallisesti jopa vakaampi kuin pii. Se ei hapetu ilmassa eikä vedessä, kuten pii, joten sitä on helpompi työstää tavanomaisilla sirujen valmistusmenetelmillä.

Uudella materiaalilla on suora kaistaero, mikä tarkoittaa, että valo imeytyy tai emittoituu siinä helpommin kuin perinteisessä piissä ja germaniumissa joilla on epäsuora kaistaero. Suorasta kaistaerosta johtuen esimerkiksi aurinkokennot voivat olla jopa 100 kertaa ohuempia.

Orgaanisia 2D-materiaaleja

National Institute for Materials Sciencen (NIMS) ja Max Planck Institute for Polymer Researchin yhteisessä tutkimuksessa kehitettiin maailman ensimmäinen supramolekylaarinen tiofeenin nanoarkki, joka on kaksiulotteinen arkki orgaanista materiaalia, jonka paksuus on 3,5 nanometriä.

Tiofeenijohdannaisia on aiemminkin tutkittu materiaaliksi FET-transistoreille, orgaanisille aurinkokennoille, orgaanisina elektroluminesenssin aineina ja muihin sovelluksiin.

Kuitenkin tiofeenisen ohutkalvon valmistusprosessissa on monia ongelmia mutta alkuvuonna 2013 NIMS:in tutkijat löysivät edullisen valmistusmenetelmän. Aikaansaaduilla tiofeenin nanoarkeilla on toteutettavissa orgaanista elektroniikkaa.

Useimmat orgaaniset puolijohtavat materiaalit siirtävät hyvin positiivisia varauksia mutta eivät negatiivisia.

Oregonin yliopiston kemistit ovat kuitenkin onnistuneen syntetisoimaan orgaanisia molekyylirakenteita, jotka mahdollistavat sekä positiivisien että negatiivisien sähkövarauksien liikkumisen.

Se on haluttu, mutta usein vaikea yhdistelmä saavuttaa nykyisissä pyrkimyksissä luoda erittäin joustavia elektronisia laitteita. Tässäkin tapauksessa kyse on vielä aiheen perustutkimuksesta.

Kalvoja veden päällä valmistaen

Puolijohteisen nanokalvon valmistaminen on kallista ja aikaa vievää. University of Wiscons, Madisonin tutkijat ovat kehittäneet yksinkertaisen ja edullisen tekniikan kasvattaa suuria, ultraohuita puolijohdearkkeja veden pinnalla.

Tutkijoiden mukaan menetelmällä voisi tuottaa joustavaa elektroniikkaa, valodiodeja ja lääketieteen antureita. Materiaalivalinta on sinkkioksidi, joka on lupaava materiaali joustaville transistoreille ja ultraviolettivaloa emittoiville diodeille. Tällä kertaa haluttiin hyödyntää myös sinkkioksidin pietsosähköistä ominaisuutta muuntaa mekaanista rasitusta sähkövirraksi.

Menetelmässä, pinta-aktiiviset aineet muodostavat kerroksen veden pinnalle ja toimivat mallina kasvaville nanokiteille ja näin onnistuttiin kehittämään prosessi valmistaa millimetrien levyisiä kalvoja.

Ferrosähköisiä ohutkalvoja

Kuten tuottamalla hiilestä timantti paineen avulla myös sähköisen materiaaliin ominaisuuksia voidaan parantaa ja muuttaa.

University of Illinois at Urbanan tutkijat ovat kehittäneet menetelmän tehdä ferrosähköistä ohutkalvoa paineen avulla, jolloin tuloksena on epätavallinen suorituskyky.

Näin tuotetuilla PZT-kalvoilla ei ole vain parempia ominaisuuksia, vaan myös täysin uusia ominaisuuksia. Merkittävin on, että kalvoilla on sisäinen luontainen potentiaali. Täten sillä voi tehdä joitakin toimintoja ilman ulkoista virtaa tai kenttää.

Nykyisin ferrosähköisiä materiaaleja käytetään muisteissa, jolloin ne tukeutuvat materiaalin spontaaniin polarisaatioon. Kuitenkin bitin luku vaatii polariteetin vaihtoa eli joka kerta, kun bitti luetaan, se täytyy kirjoittaa uudelleen referenssibittiin verraten.

Jos materiaalilla olisi sisäinen sähköinen potentiaali, voitaisiin tehdä bittejä, joiden polariteettia ei tarvitse vaihtaa luettaessa, joten tietokoneen muistikomponentit voisivat olla pienempiä, nopeampia ja pitkäkestoisempia.

Kerroksellisuus toimii

Purduen yliopiston on tutkittu puolijohteiden teknologiaa, joka perustuu kaksiulotteisiin nanokiteisiin mutta jotka on asetettu kerroksittaiseksi rakenteeksi, joilla voisi korvata nykypäivän transistorit.

Nanokiteiksi kutsutaan kaksiulotteisia rakenteita koska materiaali voi esiintyä äärimmäisen ohuiden levyjen muodossa, joiden paksuus tässä tapauksessa on 0,7 nanometriä eli noin kolme tai neljä atomia.

Tutkijoiden koostama kerroksellinen rakenne valmistettiin molybdeenidisulfidista. Heidän rakenteensa toimii parhaiten, kun levyjä on noin 15 kerrosta, jolloin kokonaispaksuus on 8-12 nanometriä.

Vaikka molybdeenidisulfidi on lupaava aines, tutkijat eivät usko, että pii voidaan korvata yhdellä materiaalilla, vaan tulevaisuudessa luultavasti eri materiaaleja tulee olemaan rinnakkain hybridinä teknologiana.

Kerrosrakenteiden kuvauksia

Myös Arkansasin yliopistossa tutkitaan seuraavan sukupolven nanolaitteita, joissa piirit muodostuvat useasta kerroksesta erilaisia materiaaleja, kuten ferromagneettisista ja suprajohtavista oksideista.

Kuitenkin kun kerrokset tulevat ohuemmiksi, materiaalit alkavat käyttäytyä oudosti ja usein epäluotettavasti. Tällöin kriittiseksi kysymykseksi nousee rajapinnan koko, jossa kaksi materiaalia vaikuttavat toisiinsa, toteaa fysiikan professori Jak Chakhalian yliopistonsa tiedotteessa.

Arkansin tutkijat ovatkin löytäneet tavan katsoa sisälle kerroksittaiseen kompleksiseen nanomateriaaliin rakennetta rikkomatta. Menettely mahdollistaa suoran näkymän elektronien ja atomien fysikaaliseen ja kemialliseen käyttäytymiseen erilaisten materiaalien raja-alueilla.

Kehitetty kuvausmenettely tuotti tutkijoille tärkeää tietoa: Eivät vain välittömät atomikerrokset vaikuta toisiinsa vaan niillä on vahva vaikutus toisiinsa yhden-kahden nanometrin ulottuvuudella.

Ensimmäistä kertaa tutkijat ovat osoittaneet, miten elektronit ja ionit vuorovaikuttavat atomitasolla näissä monimutkaisissa kerrosrakenteissa ja se ei ollut sitä mitä monet aiheesta odottivat, todetaan yliopiston tiedotteessa.

Energian varastointia kaksiulotteisesti 

Drexelin yliopistossa kaksiulotteisen materiaaliperheen ominaisuuksia tutkittaessa havaittiin, että niiden avulla on mahdollista varastoida suuria määriä energiaa.

Useita vuosia sitten yliopiston professorit löysivät atomisen ohuen, kaksiulotteisen materiaalin jolla on hyvä sähkönjohtavuus ja hydrofiilinen pinta eli se pystyy pidättelemään nesteitä.

Vuonna 2013 he onnistuivat selvittämään miten materiaali hyödyntää ioneja ja molekyylejä näiden kerrosten välisessä prosessissa.

Esimerkiksi litium-ionien sijoittaminen levyjen väliin tekee niistä hyviä ehdokkaita litium-ioni-akkujen anodikäyttöön. Myös magnesiumin ja alumiinin ionien sijoittaminen levyjen väliin voi tasoittaa tietä uudenlaisille metalli-ioni-akuille.

Kaksiulotteista tinaa?

Elektroniikkamiehille tutulle tinalle uumoillaan uutta roolia mikro- ja nanoelektroniikan parissa.

Yksi kerros tina-atomeja voisi olla jopa maailman ensimmäinen materiaali, joka johtaa sähköä sadan prosentin hyötysuhteella lämpötiloissa, joissa mikropiirit toimivat.

Tällaiseen arvioon ovat päätyneet Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) SLAC National Accelerator Laboratoryssa ja Stanfordin yliopistossa toimineet teoreettiset fyysikot.

Tutkijat kutsuvat uutta materiaalihypoteesia grafeenista ja tinan latinalaisesta nimestä (stannum) johdatellen staneeniksi (stanene).

- Staneeni voisi lisätä tulevaisuuden mikrosirujen nopeutta ja pienentää tehonkäyttöä, jos meidän ennuste tukee kokeilta, joita on käynnistetty useissa laboratorioissa ympäri maailmaa, toteaa professori Shoucheng Zhang tutkimuslaitoksensa tiedotteessa marraskuussa 2013.

Kyseessä olisi eräs topologisen eristeen versio, joka johtaa sähköä vain pinnoillaan mutta ei sisäosissaan. Kun topologinen eriste on yhden atomin paksuinen, sen reunat johtavat sähköä sataprosenttisella hyötysuhteella.

Helmikuu 2014

Veijo Hänninen

Lomittuminen turvaa salaisuudet

Teleporttaus on science-fiction fantasioita mutta sana on lainattu sieltä lomittuneiden fotonien siirtoon. Sellainen on onnistunut niin ilmateitse kuin optisessa kaapelissakin noin sadan kilometrin etäisyydelle.

Kyseistä kvantti-ilmiötä hyödyntäen on jo olemassa kaupallisiakin tuotteita, joissa sitä käytetään viestiliikenteen salaukseen. Perusajatuksena on, että lomittuneiden fotonien mittaus rikkoo lomittumisen, joten väärän tahon tekemänä se kertoo, että joku roikkuu linjoilla.

Kilpajuoksua kvanteilla

Nykyiset Quantum Key Distribution (QKD) -laitteet rajoittuvat vain kahden osapuolen väliseen yhteydenpitoon. Vaatimattoman siirtokapasiteettinsa takia ne soveltuvat nimensä mukaisesti yleensä vain avainten jakeluun ja varsinkin massiivisempi viestiliikenne tapahtuu tavanomaisemmilla yhteystavoilla.

Toinen puoli viestiliikennettä on salattujen viestien purku, johon puolestaan kvanttitietokone antaisi erinomaiset mahdollisuudet.

Yhdysvaltain National Security Agency (NSA) kertoi jo vuonna 2006 että se kehittelee kahden yhdysvaltalaisen instituution kanssa kvanttitietokonetta. 

Viime vuoden lopulla Edward Snowden paljasti, että NSA toivoo voivansa kehittää kyseistä teknologiaa siten, että se kykenee purkamaan modernin internetin turvaa.

Siihen olisi sitten taas keksittävä vastatoimia, jollaisista onkin jo viitteitä.

Esimerkiksi Darmstadtin teknillisessä yliopistossa pohdiskellaan sellaisten salaustapojen teorian parissa, joita ei voida purkaa kvanttitietokoneella. Nämä eivät kuitenkaan perustu kvanttifysiikan ilmiöihin, vaan ratkaisemattomiin matemaattisiin ongelmiin.

Siksi voi hyvinkin olla, että vastaus ensimmäiseen koodin murtamiseen kvanttitietokoneella tulee Darmstadtista uskovat oppiahjonsa edustajat.

Kvantti-internetti

Koska QKD-järjestelmät toimivat vain kahden osapuolen kesken on tiedepiireissä jo kehitelty erilaisia mekanismeja toteuttaa kvantti-internet.

Ratkaisu ei voi perustua perinteisiin valovahvistimia sisältäviin toistimiin ja keskittimiin, koska valon käsittely pilaa lomittumisen. Siten kvanttitoistimissa täytyy luoda uusi vierekkäisten solmujen välinen lomittuminen.

Kuitenkin lomittumisen ”kopiointi” edellyttää lomittumisen tallentamista kvanttimuisteihin kussakin solmussa tarpeeksi pitkään jotta voidaan testata, että yhtenäisyys on riittävän vahva.

Viime vuosina tutkijat ovat rakennelleet kokeellisia pitkäkestoisia kvanttimuisteja fotoneille. Esimerkiksi systeemejä jotka perustuvat kvantti-yksiköiden yhteisvaikutukseen, kuten atomihöyryihin tai spectral hole burning (SHB) -kiteisiin ovat osoittaneet rohkaisevia tuloksia.

SHB lähestymistavalla on lisäksi se etu, että se voi tallentaa monta fotonikubittia kussakin kiteessä. Äskettäin SHB-muistien fotoneja on lomitettu nykyisen tietoliikenteen fotonien kanssa, osoittaen, että kvantti-internetin solmut ovat periaatteessa mahdollisia nykyisen kuitutekniikan alustalla.

Myös espanjalaisen Photonic Sciences instituutin tutkijat raportoivat keväällä 2013 spektrisesti kapean kaistan fotoniparin lähteestä, jossa yksi fotoni voidaan osoittaa kiinteärakenteiseen kvanttimuistiin aallonpituuksilla, ja toinen on aallonpituudella, joilla nykyiset tietoliikennejärjestelmät toimivat.

Kvantti-internettiä tutkitaan laajasti ja esimerkiksi Euroopan Unionilla on Quantum repeaters for long distance fibre-based quantum communication (QuReP) -projekti, jolle on osoitettu 1,9 miljoonan euron rahoitus.

Työn odotetaan tuottavat kaupallisia sovelluksia kvanttitietoliikenteen teknologialle seuraavan kymmenen vuoden kuluessa.

Vain yksittäisiä fotoneja

Teoriassa kvanttisalaus toimii hienosti mutta on myös pystytty osoittamaan, että on olemassa tapoja kenenkään huomaamatta kuunnella tätäkin liikennettä.

Markkinoilla olevat kaupalliset järjestelmät ovat alkuun tinkineet turvallisuudesta ja historiallisestikin salauksen purun parhaat saavutukset perustuvat erilaisten heikkouksien hyödyntämiseen.

Periaatteessa järjestelmässä käytetään vain yksittäisiä fotoneja lähettävä valonlähde mutta käytännön laitteet eivät tähän aivan kykene, jolloin salakuuntelija voi hyödyntää ylimääräisiä fotoneja.

Darmstadtin teknisen yliopiston Sabine Euler on kehittänyt valolähteen, joka antaa signaalin, kun se tuottaa vain yhden fotonin ja tätä signaalia voidaan käyttää valitsemaan vain yksittäin lähetettävät fotonit viestintään.

On kuitenkin olemassa muitakin haavoittuvuuksia. Kun järjestelmä muuttaa valon polarisaatiota hiukkasten koodauksen aikana, esimerkiksi virrankulutus vaihtelee tai pulssien aikaväli muuttuu hieman.

Kvanttioptiikka mikroaalloilla

ETH Zurichin fyysikot ovat testailleet kvanttioptiikan olennaisimpia vaikutuksia mikroaalloilla. Niiden taajuus on 100000 kertaa pienempi kuin näkyvän valon ja kokeilu viekin kvanttioptiikkaa uuden taajuusjärjestelmän alueelle.

Taajuuksiltaan pienempien mikroaaltofotonien käyttö mahdollistaa paremman kuvauksen tieteellisestä Hong-Ou-Mandel vaikutuksesta kuin on pystytty tähän mennessä optisilla fotoneilla.

Vaikka ei ole periaatteellista syytä uskoa, että kvanttiteoria tekisi eroa "mikroaalto fotonien" ja "optisten fotonien" välillä, kyseinen koe asettaa tämän vastaavuuden valtavalle taajuusalueelle kokeellisesti todettuna toteavat tutkijat.

Tieteellisten saavutusten lisäksi tutkijat pystyivät kokeilulaitteistollaan tuottamaan mikroaaltoja, jotka generoivat vain yhden fotonin. Sellaista ei ole helppo saavuttaa optisen alueen yhden fotonin laser- tai ledilähteillä.

Mikroaaltolähteillä on myös se etu, että niiden taajuudet voidaan tarkasti virittää siten, että kaksi erillisestä laitetta tuottaa fotoneja täsmälleen samalla taajuudella.

Lomittumisen välittäjät

Oikein toimiakseen lomittunut tila pyritään pitämään mahdollisimman eristettynä ympäristöstään, mikä on reaalimaailmassa varsin vaikeaa.

Eräät 1980-luvun lopulla tehdyt tieteelliset kokeilut tuottivat kvanttitiloja, jotka osoittivat tiettyjä korrelaatioita vaikka eivät olleet lomittuneita.

Vuonna 2003 Max Planck Institute of Quantum Optics -tutkimuslaitoksessa laskettiin, että joissakin tilanteissa erillisiä tiloja voitaisiin käyttää jakelemaan lomittumista.

Näiden pohjalta onkin esitetty yllättävää menetelmää säilyttää lomittuminen kvanttikryptografiassa eli käyttää tietoliikenneoperaattoria, joka ei itse ole lomittunut.

Vuoden 2013 lopulla Alessandro Fedrizzi Queenslandin yliopistosta Australiasta kollegoineen vahvistivat tämän toimivuuden laboratoriossa.

Kokeilussa Alice ja Bob jakavat keskenään lomittuneen fotoniparin (A ja B), jolloin lomittuminen tuhoutuu mutta ajaa A:n ja B:n tiloihin, jossa ne edelleen kantavat erillistä korrelaatiota vaikka eivät enää ole lomittuneita.

Kolmas fotoni C, toimii lomittumisen kantajana. Alice lähettää A:n ja C:n kvanttiportin kautta, mikä aiheuttaa A:n ja B:n interferenssin, luoden toisen korrelaation (mutta ei lomittumista) niiden välille. Sitten C lähetetään Bobille, joka yhdistää sen hänen omaan B:hensä.

Yllättävä tulos on, että A ja B ovat lomittuneita, vaikka C ei koskaan lomittunut kummankaan kanssa.

Lisäksi tutkijat toteavat, että lomittuminen jakaminen erillisillä kantajilla on kohinaa sietävä ja joissakin tapauksissa se on ainoa tapa jakaa lomittuminen kohisevan ympäristön kautta.

Myös University of Calgaryssä kehitetyssä QKD-protokollassa käytetään välittäjämenettelyä. Siinä avainfotonit lähetetään välimiehelle, joka tekee molemmille fotoneille yhteismittauksen.

Mittaus kertoo välimiehelle vain sen onko osapuolilla sama avain mutta ei anna tietoa itse avaimesta. Näinkin tieto avaimen utelemisesta tulee osapuolten tietoon.

Lisäksi kahden fotonin yhteismittaus on tärkeä askel kohti kvanttitoistimia, arvioivat menetelmän kehittäneet tutkijat.

Monen käyttäjän kvanttiviestintää

Pyrkimyksissä kehittää QKD-järjestelmiä tavoitellaan myös erilaisia usean käyttäjän ratkaisuja.

Keväällä 2014 kanadalaisen Waterloo yliopiston Institute for Quantum Computing (IQC) laitoksen fyysikot kertoivat ensimmäistä kertaa jakaneensa kolme lomittunutta fotonia kolmelle eri kohteelle.

Myös Swinburne University of Technology ja Peking Universityn tutkijat ovat huomanneet, että turvallinen viesti voidaan jakaa kolmen tai neljän ihmisen kesken hyödyntämällä Einsteinin ei-lokaalisuutta.

Swinburnen vielä hyvin teoreettisessa kehitelmässä viesti myös pysyy turvallisena vaikka vastaanottavaa laitetta olisi sormeiltu. Tärkeä uusi ominaisuus on myös, että (toisin kuin alkuperäinen lomittuminen) Einsteinin ei-lokaalisuutta ei voi jäljitellä klassisella tavalla lähettäjän huomaamatta.

Olettaen, että oma asema on turvallinen, menetelmä mahdollistaa havaita ei ainoastaan lähetyksen aikaisen hakkeroinnin vaan myös epärehellisen vastaanottajan tai sabotoidun vastaanottoaseman.

Lomittumisen vaihtoa fotonien välillä

Kvanttimekaniikan epälokaalisuus, joka ilmenee lomittumisena, ei koske ainoastaan tilatyyppisesti erillisiä hiukkasia, vaan myös hiukkasia, joilla on aikatyyppinen erottuminen.

Hebrevin yliopiston tutkijat ovat luoneet lomittuneiden fotonien parin, fotoneista, jotka eivät alun perin olleet lomittuneita.

Hyödyntämällä lomittumisen vaihtoa kahden ajallisesti erotetun fotoniparin välillä, he lomittivat yhden fotonin ensimmäisestä parista toisen fotonin kanssa toisesta parista. Näin ensimmäinen fotoni havaittiin jopa ennen kuin toinen luotiin.

Havaittu kaksifotoninen tila osoittaa, että lomittuminen voidaan jakaa ajallisesti erillisten systeemien välillä.

Laajempaan käyttöön

Kvanttikryptografian laajentamista enemmän käytännön tasolla ovat jo demonstroineet alan laitevalmistajiin kuuluvan Toshiban tutkijat.

Ajatus on käyttää perinteistä tapaa, jossa yhdestä keskuspaikasta jakaantuu useita linjoja useaan suuntaan.

Tällainen menetelmä vaatii että kvanttiavaimet useilta haarapaikoilta yhdistyvät jossain kohtaa. Tämä vaatii, että keskuspaikan avalanche valodiodit (APD) pystyvät erottelemaan saapuvat signaalit riittävän nopeasti.

Normaalisti APD:t ilmaisevat fotoneja noin 10 mikrosekunnin erolla toisistaan, koska fotonin generoiman varauksen heikkeneminen vie aikansa.

Toshiban tutkijat ovat kehitelleet APD-diodia, joka generoi paljon pienempiä elektronivirtoja, joten ne toimivat nopeammin. Uudet APD:t voivat havaita fotonin joka nanosekunti. Se on tarpeeksi, jotta keskuspaikan yhdessä kuidussa voi havaita 64 kvanttiavainta.

Lisäksi tutkijat ovat siirtäneet ajoituksen ja polarisaation sovittimet vastaanottimesta lähettimeen, kompensoidakseen kuitulinjoissa syntyneet etenemisen aiheuttamat epäsäännöllisyydet.

Kvanttisalausta kannettaviin

Bristolin yliopiston Centre for Quantum Photonics (CQP) tutkijat yhteistyössä Nokian kanssa ovat työskennelleet kannettaviin laitteisiin soveltuvan kvanttisalauksen parissa.

Nykyinen kvanttisalaustekniikka on kookasta ja kallista joten se sijaitsee yleensä palvelintiloissa. Bristolin ryhmä on osoittanut, miten on mahdollista laajentaa näitä tilaa vieviä resursseja niin, että asiakaslaitteeseen (client), esimerkiksi älykännykkään, tarvitsee integroida vain optinen polarisaatiosiru.

Järjestelmä perustuu CQP:n tutkijoiden kehittämään protokollaan, joka mahdollistaa vahvan kvantti-informaation vaihdon epävakaan ympäristön kautta. Käytännössä kannettava laite on liitettävä palvelimeen esimerkiksi teletasoisella optisella kuidulla.

Kertakäyttöinen turvamuisti

National Institute of Standards and Technologyn (NIST) tutkija Yi-Kai Liu on kehittänyt tavan tehdä turvalaite, joka on aikoinaan osoittautunut vaikeaksi – vain yhden kerran luettavissa oleva muisti. Sitä voisi käyttää esimerkiksi sähköisissä rahansiirroissa.

Järjestelmässä data tallennetaan muistikubitteihin niin, että niihin voidaan tallentaa kaksi salaista viestiä, joista käyttäjä voi palauttaa toisen mutta ei molempia, sillä kubitin voi lukea vain kerran. Paitsi jos voisi jotenkin hyödyntää lomittumista, mikä rikkoo järjestelmän turvan.

Mutta Liu osoitti, että tietyissä fyysisissä järjestelmissä on erittäin vaikeata luoda ja käyttää lomittumista. Hän osoitti matemaattisesti, että tässä ratkaisussa hyödynnetään kvanttifysiikan lomittumisesta itse asiassa sen puuttumista.

Integroitu kvanttipiiri

Jo vuonna 2010 kansainvälinen tutkijaryhmä onnistui lomittamaan elektroneja kiinteän aineen laitteessa eli piirin sisällä.

Vuoden 2014 alussa brittiläiset, japanilaiset ja alankomaalaiset tutkijat onnistuivat valmistamaan kompleksisen integroidun kvanttipiirin ensimmäistä kertaa yhdestä materiaalista. Laite kykenee generoimaan fotoneja ja lomittamaan ne samalla kertaa.

Piivalmisteista piiriä, joka sisältää kaksi kvanttimekaanisesti interferoivaa fotonilähdettä, voisi käyttää kvantti-informaation prosessoinnin sovelluksissa ja kompleksisissa kvanttioptisissa on-chip kokeissa.

Lomittumisia useissa dimensioissa

Nykyiset järjestelmät perustuvat yksittäisten fotonien lomittumisiin mutta muun muassa Tokion ja Mainzin yliopistojen tutkijat ovat kehittäneet myös kubittien lomittunutta siirtoa.

Myös itse lomittuminen on varsin monimuotoinen ilmiö. Universitat Autònoma de Barcelonassa toiminut kansainvälinen tutkijaryhmä on onnistunut luomaan kahden fotonin välisen lomittumisen 103 eri ulottuvuudella. Aiempi ennätys oli 11 ulottuvuutta.

Nämä erittäin kompleksiset tilat vastaavat eri tapoja, joissa fotonit voivat olla, jakaen ominaisuutensa vaiheessa, kulmamomentissa ja intensiteetissä.

Teknisesti on paljon helpompaa lomittaa kaksi fotonia sadalla eri tavalla kuin lomittaa lukuisaa määrää partikkeleita keskenään.

Tällainen kvanttilomittuminen tarjoakin suuren potentiaalin kvantti-infromaation sovelluksille. Salauksessa, esimerkiksi, metodi saattaa sallia ylläpitää informaation turvaa realistissa tilanteissa kohinan ja häiriöiden seassa.

Mallia biologiasta

Sinänsä kvanttitekniikka ei ole ainoa salaustekniikoiden kehittämisen kohde. Uusimpana esimerkiksi Lancasterin yliopistossa on kehitetty menetelmä, joka perustuu ihmisen biologiaan sen suhteen miten sydän ja keuhkot koordinoivat rytmejään välittämällä tietoja keskenään.

Tiedonsiirron välisestä aika- ja keskinäisriippuvasta luonteesta johtuen niiden kytkentäfunktiosta johdettu salaus on erittäin vastustuskykyinen tavanomaisia hyökkäysmenetelmiä vastaan ja se tarjoaa lukemattomia vaihtoehtoja salausavaimen jakoon lähettäjän ja vastaanottajan välillä.

Vastaanottavalla puolella hyödynnetään samanlaista dynaamista järjestelmää sekä Bayesian päättelyä.

Tutkijoiden mukaan salausta on käytännössä mahdotonta murtaa. Uusi menetelmä on myös poikkeuksellisen vastustuskykyinen satunnaisvaihteluiden luomia häiriöitä tai kohinaa vastaan. Se voi myös lähettää useita eri tietovirtoja samanaikaisesti.

Toivoa on

Professorit Artur Ekert ja Renato Renner hahmottelivat Nature-lehden maalikuun 2014 numerossa sitä millainen yksityisyys on lopulta mahdollista ja mitä fysiikka sanoo salaisuuksien säilyttämisestä.

Kaikenlaiset koodaustavat ovat aikaa myöten purettu ja näin tulee käymään myös nykyisin laajasti käytetylle RSA-järjestelmälle, kun kvanttitietokone on käytössä.

Mutta näin ei tarvitse jatkua loputtomiin toteaa kvanttifysiikan professori Artur Ekert Oxfordin yliopistosta. Ekert on yksi aikoinaan valon kvanttifyysisten ominaisuuksien hyödyntämistä salauksessa esittäneitä tutkijoita.

"Viimeaikainen kehitys kvanttisalauksessa on osoittanut, että yksityisyys on mahdollista hämmästyttävän heikoilla toimintavapauksien oletuksilla ja luottamuksella käyttämiimme laitteisiin.

Pääsyllä tietynlaisiin korrelaatioihin, olivatpa ne kvantti alkuperää tai muunlaisia, ja vähäiselläkin vapaalla tahdolla toimien voimme suojella itseämme. Mikä parasta, voimme jopa suojautua vastustajilta teknologialla, joka on meille tuntematonta.

"Niin kauan kuin jotkut valintamme eivät ole täysin ennustettavissa ja ovat siten vallanpitäjien ulottumattomissa, pystymme pitämään salaisuutemme", toteaa, teoreettisen fysiikan professori Renato Renner ETH Zürichistä.

Professori Rennerin kumppaneineen tekemä matemaattinen löytö satunnaisuuden vahvistuksesta on eräänlainen kvanttitemppu, joka muuntaa melkein satunnaiset numerot täysin satunnaisiksi numeroiksi.

Sovellettuna salaukseen, niillä voidaan palauttaa kykymme tehdä täysin sattumanvaraisia valintoja ja taata turvallisuus vaikka olisimme osittain manipuloituja.

Huhtikuu 2014 

Veijo Hänninen

Elektronin ja fotonin rajalla

Tehokkaat valosignaalit olisivat haluttuja myös mikropiirien sisäisien liikennevirtojen kuljettajiksi. Ongelmana on, että valon aallonpituus tai sen vähintään tarvittava puolikaskin on liian suuri verrattuna nykyisen tietotekniikan elektronisiin rakenteisiin.

Nature Photonics -tiedelehdessä Max-Planck-Instituutin Ferenc Krausz ja Atlantan Georgia State Universityn Mark Stockman esittelivät keväällä uusimpien kokeellisien ja teoreettisien löytöjen tuottamista näkymistä tulevaisuuden signaalinkäsittelylle.

Katsauksen mukaan uusimmat tutkimukset viittaavat siihen, että valon värähtelevä sähkökenttä voi kytkeä sähkövirtaa ja moduloida valon kulkua kiinteän aineen laitteissa.

Tällainen vuorovaikutus optisten kenttien ja elektronien välillä antaa teknisen perustan attosekuntien fysiikalle joka on muun muassa mahdollistanut ensimmäistä kertaa tarkkailla atomien elektronien liikkeitä reaaliajassa.

Tämä on tietenkin fysiikan perustutkimusta mutta se on jo alkanut rikkoa perinteisen elektroniikan ja fotoniikan välisiä rajoja, mikä avaa tietä paljon tehokkaammalle valoperustaiselle elektroniikalle.

Eksitoneja metallissa

University of Pittsburghin tutkijat ovat juuri äskettäin havainneet ensimmäisenä perustavanlaatuinen valon ja aineen vuorovaikutushiukkasen eli eksitonin metallissa.

Entuudestaan se tunnetaan kasvien fotosynteesissä sekä puolijohteissa esimerkiksi optisessa viestinnässä. Löytö selittää nyt myös peilien kvanttimekaanisen taian.

Eksitoneissa valon fotonit tulevat lyhytaikaisesti lomittuneiksi elektronien kanssa. Kuitenkin metallien optiset ja elektroniset ominaisuudet tuottavat eksitonien kestoksi enintään haasteelliset 100 attosekuntia.

Nyt tutkijat selvittivät uusilla menetelmillä miten valo ja aine vuorovaikuttavat hopeakiteen pinnalla. Havaittiin, että pinnan elektronit voivat säilyttää eksitonisen tilan yli 100 kertaa pidempään kuin bulkkimetallissa.

Kyky havaita eksitoneja metalleissa valottaa sitä miten valo muunnetaan sähköiseksi ja kemialliseksi energiaksi kasveissa ja aurinkokennoissa. Tulevaisuudessa se voisi mahdollistaa myös metallien toimia aktiivisina elementteinä optisessa viestinnässä.

Valon ja elektronin yhdistäen

Vähemmän teoreettisella tasolla UC Santa Barbara tutkijat ovat luoneet yhdistepuolijohteen, jonka nanorakenteet voivat manipuloida valoenergiaa keski-infrapunan alueella.

Tekniikan perustana on erbium-maametalli, jolla on kyky absorboida sekä näkyvän valon että infrapunan aallonpituuksia. Tutkijat yhdistivät sen antimonin kanssa ja upottivat saadun puolimetalliyhdisteen (ErSb) puolijohtavan galliumantimonidi (GaSb) matriisin sisälle.

Nämä kaksi rakenteellisesti yhteensopivaa yhdistettä eivät häiritse puolijohtavan matriisin atomistista kiderakennetta. Tällaisten nanorakenteiden avulla puolijohdeyhdisteet voivat absorboida laajemmin valoa, koska niissä hyödynnetään pintaplasmoniresonanssia.

Kun infrapunavalo osuu tämän puolijohteen pintaan, nanorakenteiden elektronit alkavat resonoimaan samalla taajuudella kuin infrapunavalo eli säilyttäen optista informaatiota, mutta kutistaen sen mittoihin, jotka ovat yhteensopivia elektronisten piirien kanssa.

Valo haluttuun suuntaan

Tehokkaiden optisten mikropiirien toteuttamiseksi tutkijoiden on ensialkuun kehitettävä rakenteita, jotka pystyvät hallitsemaan valon kulkua nanometrien mittakaavassa.

Esimerkiksi Harvard School of Engineering and Applied Sciencesin (SEAS) soveltavat fyysikot ovat osoittaneet, että valonsäteen intensiteettiä, vaihetta ja polarisaatiota voidaan muuttaa käyttäen hologrammimaisesti suunniteltuja nanomittakaavan rakenteita.

Vuonna 2012 ranskalais-yhdysvaltalainen tutkijaryhmä esitteli valonsäteen, joka etenee sivusuuntiin leviämättä.

Luotu valonsäde kulkee kullan ja ilman rajapinnassa. Näin syntynyt hyvin paikallinen pintaplasmoniaalto etenee tiukasti metallipinnan nanorakenteeseen kahlittuna. Kokeissa se eteni noin 80 mikronia suoraviivaisesti ilman diffraktiota.

Valon ohjailua

Viime vuoden puolella Tokion yliopistossa löydettiin uudenlainen magneto-optinen kytkin.

Professori Shin-ichi Ohkoshin tutkimusryhmän löytämässä ilmiössä, ulos tulevan valon polarisaatiotaso on vaihdettavissa vaaka- ja pystysuunnassa, lisäämällä kiraalisuutta valoreagoivassa magneetissa.

Erilaisilla valopulsseilla saadaan aikaan 90 asteen kytkentä ulostulevan valon polarisaatiotasossa.

Materiaaleja, joiden magneettisuutta voi suoraan muuttaa valon avulla ovat hyvin haluttuja, koska ominaisuuksia voisi ohjata ilman ulkoista magneettikenttää, lämpöä tai fyysistä kontaktia.

Sähköisesti ohjattavat kierteisesti polarisoituneet valonlähteet ovat pitkään etsittyjä aiheita 3D-näyttöjä varten mutta myös datan kantajiksi kvanttilaskentaan.

Keväällä 2014 professori Yoshihiro Iwasa Tokion yliopistosta esitteli sähköisesti kiertosuunnan vaihtavan valonlähteen. Se rakentui volframi-diselenidistä (WSe2) ja FET-piirirakenteesta. Sähköisellä vaihtokytkennällä saatiin aikaan oikea- ja vasenkätisesti kierrepolarisoitunut valoemissio.

Optista reititystä mikropiireissä

Harvardin johtama tutkijaryhmä on luonut nanolaitteen, joka voi tunnistaa tietyllä tavalla polarisoidun valon ja ohjata tunnistamisen avulla informaatiota sisältävän signaalin haluttuun suuntaan.

Ratkaisu tarjoaa tavan manipuloida valoa tarkasti alle aallonpituuksien mittakaavassa. Tämä avaa oven sirujen sisäisille optisille kytkennöille, jotka voivat tehokkaasti kanavoida tietoa optisista elektronisiin piireihin.

Nanolaite muuntaa tulevan valon pintaplasmonien polaritoneiksi, joka on metallissa olevien elektronien pinta-aaltoilua. Jo aiemmin on ollut mahdollista hallita näiden aaltojen suuntaa tulevan valon kulmaa muuttamalla mutta signaalin reititys tällä tavoin olisi epäkäytännöllistä.

Uuteen ratkaisuun valon tarvitsee tulla vain kohtisuorasti ja laite hoitaa loput. Se lukee tulevan valoaallon polarisaation, joka saattaa olla lineaarinen tai vasemmalle tai oikealla kiertyvä ja reitittää signaalin sitten sen mukaisesti.

Tasomaista optiikkaa grafeenilla

Espanjalaisen CIC nanoGUNE:n, ICFO-instituutin ja Graphenea-yhtiön tutkijat ovat yhteisvoimin kehittäneet optisiin antenneihin perustuvan tekniikan joka ohjailee valoa grafeenissa.

Aivan äskettäin julkaistut kokeet osoittavat, että tehokkaasti tiivistettyä valoa voidaan grafeenissa keskittää ja taivuttaa tavanomaisten optiikan periaatteiden mukaisesti.

Grafeenikerroksessa valon aallonpituutta voidaan kutistaa 10 - 100 kertaisesti verrattuna vapaassa tilassa etenevään valoon. Grafeenissa etenevää valoa kutsutaan grafeenin plasmoniksi.

Työn myötä tutkijat ovat luoneet tekniikka-alustan, joka perustuu optisen antennin resonanssiin etenevien grafeenin plasmonien käynnistämiseksi ja hallitsemiseksi.

Antennia kaareuttamalla grafeenin plasmonit keskittyivät antennista poispäin, aivan kuin valosäteet linssillä tai koveralla peilillä. Prisman muotoisessa kaksikerroksisessa grafeenissa kulkiessaan grafeenin plasmonit puolestaan taittuvat mutkalle aivan kuten valonsäteen kulkiessa lasiprisman läpi.

Tulevaisuudessa tällaiset johtavuusmuutokset grafeenissa voitaisiin synnyttää myös yksinkertaisella sähköisellä tavalla, mikä mahdollistaa erittäin tehokkaan sähköisen hallinnan taittumiselle toteavat tutkijat Basque Researchin nettisivuilla.

Plasmoniikkaa ja vanadiinidioksidia

Vuonna 2014 tiedemiesryhmä Vanderbiltin ja Alabama-Birminghamin yliopistoista sekä Los Alamos National Laboratorystä kehittivät erittäin nopean ja pienen optisen kytkinrakenteen. Se voidaan kytkeä päälle ja pois terahertsien nopeuksilla.

Kytkimet on valmistettu metamateriaalista, joka koostuu vanadiinidioksidin (VO2) nanohiukkasista, jotka on päällystetty kullan nanohiukkasilla. Vanadiinidioksidi on kiteinen kiinteä aine, joka voi nopeasti siirtyä edestakaisin läpinäkymättömän metallitilan ja läpinäkyvän puolijohtavan tilan välillä.

Rakenteessa kultahiukkasten verkosto toimii plasmonisena valokatodina, joka indusoi nopeita faasimuunnoksia vanadiinidioksidissa kun sitä valaistaan femtosekuntien laserpulssilla.

Vanadiinioksidiset kytkimet olisivat yhteensopivia nykyiseen mikropiiriteknologiaan. Lisäksi niiden generoima lämpömäärä per toiminto on niin pieni, että kytkimiä voidaan pakata tiiviisti käytännön piireihin.

Fotoniikkaa CMOS-piireille

Mikropiirien sisäisen tiedonsiirron yhtenä ongelmana on, että ratkaisut ovat edellyttävät kalliita erikoistekniikoita.

Karlsruhe Institute of Technologyn tutkijat ovat kehittäneet 29 mikrometriä pitkän fotonisen rakenteen, joka voidaan valmistaa vakiintuneilla CMOS-tekniikoilla.

Uudenlainen sähköoptinen muunnin koostuu kahdesta kultaelektrodista, joita erottaa toisistaan noin kymmenesosa mikrometrin levyinen ​​rako. Rako on täytetty polymeerillä, jonka taitekerroin muuttuu jännitteen avulla.

Tuleva jatkuva infrapunavalo virittää rakoon pintaplasmoneja. Digitaalisella datalla ohjatun jännitteen vaikutuksesta polymeerien pintapalsmonien vaihe moduloituu. Lopuksi moduloidut pintaplasmonit siirtyvät aaltoputkeen moduloidun valonsäteen muodossa. Laitteen modulointinopeus on 40 gigabittiä sekunnissa.

Myös amerikkalaiset panostavat aiheeseen. Colorado Boulderin, MITn ja California Berkeleyn yliopistojen tutkijat ovat kehittäneet CMOS-prosessiin integroitua piifotoniikkaa.

Heidän kehittämät fotoninen modulaattori ja viritettävä suodin on toteutettu IBM:n uusimmalla CMOS-prosessilla.

Pii ja SiGe valon kumppaneina

Optisen tietotekniikan ongelmana on myös, että pii ei säteile valoa ja ne puolijohteet, jotka säteilevät eivät ole parhaita materiaaleja elektronisille laitteille.

Pennsylvanissa tehty tutkimus osoittaa, että myös peruspii saadaan plamonisien keinojen avulla säteilemään laajakirjoista, näkyvää valoa.

Myös nykyelektroniikan venytettyä pii-germanium -tekniikkaa voitaneen hyödyntää tulevaisuuden optroniikassa.

Tokion yliopistossa toiminut tutkijaryhmä yhteistyössä Sumitomo Chemical –yhtiön kanssa on osoittanut, että venytetyssä SiGe-kiteessä, elektronit ja elektroniaukot, aiheuttavat lisääntynyttä muutosta taitekertoimessa ja absorptionopeudessa.

Löytönsä seurauksena he ovat kehittäneet vähän tehoa käyttävän optisen modulaattorin, joka kykenee muuntamaan sähköiset signaalit optisiksi signaaleiksi lähi-infrapunan aallonpituuksilla.

Optisia prosessoreita

Rice yliopiston tutkijat ovat esitelleet menetelmän järjestää metallinanohiukkasten geometrisia kuvioita tavalla, jotka voivat toimia optisina prosessoreina, jotka muuttavat tulevan valon signaalit erivärisiksi ulostuloiksi.

Kehitetty kuviointimenetelmä voi tuottaa räätälöityjä materiaaleja suorittamaan neljän aallon sekoitusta, jossa on laaja valikoima värillisiä tuloja ja lähtöjä.

Yleensä valonsäde ei vuorovaikuta toisen kanssa mutta epälineaarisessa mediassa sähkömagneettiset ominaisuudet ovat sellaiset, että valo yhdestä säteestä vuorovaikuttaa toisen kanssa.

Järjestelmä hyödyntää erityistä plasmonista vaikutusta, jota kutsutaan Fano resonanssiksi.

Valon ja sähkön yhdistävää logiikkaa 

Jo vuonna 2012 Pennsylvanian yliopiston tutkijat rakensivat täysoptisen fotonikytkimen kadmiumsulfidisista nanolangoista ja yhdistelivät niistä jopa toimivan NAND-logiikkaportin.

Vuonna 2014 Northeastern Universityn fysiikan apulaisprofessori Swastik Kar ja hänen kollegansa Yung Joon Jung kertoivat luoneensa laitteita, joissa yhdistyy sekä optiset että sähköiset signaalit suorittamassa tietotekniikan peruslogiikkaa.

Jo aiemmin tämä kaksikko yhdisti osaamisensa grafeenista ja hiilinanoputkien mekaniikasta saaden esiin fysikaalisen ilmiön, joka voisi käynnistää uuden aallon erittäin tehokasta elektroniikkaa.

He havaitsivat, että valon aiheuttama sähkövirta nousee selvästi jyrkemmin hiilinanoputkien ja piin diodiliitoksessa kuin piin ja metallin liitoksessa. Jyrkkä muutos mahdollistaa piirirakenteet, jotka voidaan kytkeä päälle ja pois valon avulla.

Aihetta demonstroidakseen tutkijat valmistivat kaksisuuntaisia valotransistoreita sekä kelloliipaistavia logiikkaelementtejä kuten optisen ja sähköisen tulon yhdistävän AND-portin. Lisäksi valmistettiin 2-bittinen optosähköinen ADDER/OR-portti sekä nelibittinen optoelektroninen AD-muunnin.

Ilman virtaa toimivaa logiikkaa

Tampereen teknillisen yliopiston PhotonicsQCA-tutkimushankkeessa kehitetään virtaa käyttämätöntä ja valolla ohjattavaa logiikkapiiriä.

Hankkeessa etsitään keinoja valmistaa QCA-logiikkapiirejä liittämällä kvanttipisteisiin valoherkkiä orgaanisia molekyylejä. Tällainen piiri olisi pienempi, nopeampi ja energiatehokkaampi kuin mikään nykyinen tai kehitteillä oleva logiikkapiiri.

Quantum Cellular Automata (QCA) -tekniikan idea on peräisin 1990-luvulta ja ajatuksena on että sillä voitaisiin toteuttaa tietokone nanokoossa. Eri tutkimuslaitoksissa QCA:lla on jo suunniteltu monenlaisia logiikkatoimintoja, erilaisia muisteja ja esimerkiksi BCD-summaaja.

TTY:n tutkijoiden tavoite on tuottaa QCA-tekniikkaan valo-ohjaus, jolla voidaan kirjoittaa, kellottaa ja lukea kvanttipistepiirejä optisesti ilman hankalia elektronisia rajapintoja.

QCA-kytkin toimii kvanttipistesolun sisäistä varausjakaumaa muuttamalla. Kun kvanttipisteeseen liitettyyn valoherkkään molekyyliin suunnataan valoa, absorboi se valosta fotonin, virittyy ja siirtää varauksen kvanttipisteeseen.

Sähköisen hylkimisvoiman ja kvanttimekaanisen tunneloitumisen johdosta elektroni siirtyy viereiseen kvanttipisteeseen ja muuttaa sen tilan. Samalla myös solun kahden muun pisteen tila muuttuu. Sama vuorovaikutus vaikuttaa myös ketjutettujen solujen välillä.

Virrattomaksi QCA- logiikkapiirin tekee se, että ainoa liike solussa on elektronin siirtyminen kahden kvanttipisteen välillä. Koska liike ei etene ketjussa eteenpäin, ei sähkövirtaa synny.

- Sikäli kun tiedämme, tätä ei ole koskaan ennen yritetty. Jos saavutamme nämä tavoitteet, kyseessä on huikea tieteellinen läpimurto toteaa tutkimusta koordinoiva professori Donald Lupo TTY:n elektroniikan laitokselta yliopistonsa tiedotteessa.

Kuitutekniikan näkymät

Optisessa kuidussa data siirtyy vauhdilla mutta erilaiset sähköiset välivaiheet luovat pullonkauloja televerkoihin. Ongelman voisi kiertää optisilla transistoreilla ja niiden kehittäminen on kiehtonut tutkijoita ja insinöörejä jo pitkään.

McGill Universityn tutkijat ovat osoittaneet tavan hallita valoa puolijohteiden nanokiteissä, jotka tunnetaan kvanttipisteinä.

Tuloksista väitöskirjansa tehnyt Jonathan Saari, professori Patanjalin Kambhampati ja heidän kollegat osoittavat, että täysoptinen modulaatio ja Boolen perustoiminnot voidaan saavuttaa käyttämällä laserpulsseja manipuloimaan puolijohteisen nanokiteen kvanttimekaanista tilaa.

Penn State -yliopistossa toiminut tukijaryhmä kehitti vuonna 2012 kiteisen materiaalin, jonka avulla optiseen kuituun voidaan integroida elektronisia toimintoja. Käytännössä tutkija saostivat puolijohkerroksia ja p-n-liitoksia optisessa kuidussa oleviin pieniin reikiin. Nopea elektroninen liitäntä integroitiin valoa ohjaavan kuituytimen viereen.

Wienin teknillisessä yliopistossa on onnistuttu kytkemään valo yhdestä valokuidusta toiseen vain yhden atomin avulla. Tällainen kytkin mahdollistaisi kvantti-ilmiöiden käytön tieto- ja viestintätekniikassa. 

Saavutus todistaa ainakin sen, että tavanomaisia lasikuitukaapeleita voidaan yhdistää toisiinsa pienillä kvanttijärjestelmillä. Lisäksi tutkijoita innostaa mahdollisuuden tutkia kvanttifysiikan ilmiötä, jossa kytkin on sekä pois että päällä samaan aikaan.

- Jossain kohtaa meidän on pakko kohdata rajanylitys kvanttifysiikan ja klassisen fysiikan välillä", toteaa professori Rauschenbeutel yliopistonsa tiedotteessa loppuvuodesta 2013.

Useampi valonsäde kuituun

Jopa valokuitujen arvioidaan olevan riittämättömiä tulevaisuudessa. Nykyisin kuiduissa kulkee yksittäinen valonsäde mutta tiedemiespiireissä on jo pitempään haikailtu kuljettaa niissä useampien valonsäteitä.

University of Wisconsin-Milwaukeen (UWM) tutkijat ovat löytäneet sellaista lupaavan mekanismin. Tutkimukseen osallistui myös valokuituja valmistavan Corning-yhtiön tiedemies.

Tutkijat valjastivat "Anderson lokalisointi -teoriaan perustuvan ratkaisun luomaan valokuituun voimakkaan sirontamekanismin, joka rajaa valonsädettä pitkittäissuunnassa, kun se kulkee pitkin kuitua.

Heidän löytönsä on samalla ensimmäinen käytännön sovellus tästä Nobel-palkinnon voittaneesta ilmiöstä, joka esitettiin jo vuonna 1958.

Kierteinen valo vauhdittaa tietoliikennettä

Southern Californian ja Bostonin yliopistojen tutkijat ovat puolestaan onnistuneet kasvattamaan kuidun läpi kulkevaa datavirtaa siirtämällä valoa sen läpi spiraalisesti eikä suorana linjana.

Optisten pyörteiden on aiemmin ajateltu olevan epävakaita kuidussa mutta uudenlaisella kuidun suunnittelulla sen pitäisi onnistua. Kuidussa on jo demonstroitu OAM (Orbital Angular Momentum) -tavalla terabittien kapasiteettia sekunnissa.

Harvard School of Engineering and Applied Sciencesin (SEAS) fyysikot ovat puolestaan luoneet laitteen, joka mahdollistaa perinteisen optisen valoilmaisimen tunnistaa valonsäteen kiertoa.

Pyörresäteitä tunnistavia ilmaisimia on kehitetty aiemminkin, mutta ne ovat monimutkaisia ja kalliita. Uudessa laiteratkaisussa on yksinkertaisesti vain metallinen kuviointi ja kaupallinen edullinen valoilmaisin.

Kun valonsäteen oikea määrä kiertoja per aallonpituus osuu ilmaisimen kultaan etsattuun holografiseen interferenssikuvioon, syntyy pintaplasmoni, jonka valokomponentit hohtavat kullassa olevien reikäsarjojen läpi alla olevaan valoilmaisimeen.

Metamateriaalit ja optinen datansiirto

Metamateriaalit ovat yksi optisen tekniikan keskeisiä tekijöitä. Jo vuonna 2008 ryhmä Boston Collegen ja Duke Universityn tutkijoita kehittivät metamateriaalin, joka kykeni absorboimaan kaiken siihen osuvan valon.

Vuonna 2012 tutkijat MIT:stä, kiinalaisesta Zhejiangin ja Texasin yliopistoista esittelivät kehittämänsä metamateriaalin, joka mahdollistaa fotonien liikkuvan vain yhteen suuntaan.

Samoihin aikoihin Penn State Universityn insinöörit kehittelivät metamateriaalien työkaluja ja muutosoptiikan (Transformation Optics) yhdistelmiä käyttäen malleja mikrokokoisista optisista laitteista, joita voitaisiin käyttää optisissa integroiduissa piireissä.

Mallien joukossa on kollimaattoreita, aaltoputkien liitäntöjä, TO-jakajia, aaltoputkiristeyksiä sekä valoa taivuttavia rakenteita. Nämä laitteet ovat kooltaan viisi - kymmenen mikronia.

Nykyinen lähestymistapa on suunnitella kunkin laite käyttäen erilaisia ​​menetelmiä ja materiaaleja, jotka eivät välttämättä ole yhteensopivia yhdelle alustalle.

Metamateriaalit ohenevat metakalvoiksi

Vuosikymmen sitten kohistiin metamateriaaleista mutta ajatusta on viety kohti tasomaisia metapintoja. Muun muassa Purduen yliopistossa on kehitetty optista teknologiaa, joka hyödyntää metapintoja ja pystyy erittäin tehokkaaseen valon hallintaan.

Kehittäjiensä mukaan teknologian potentiaalisia sovelluksia ovat paremmat aurinkokennot, tietokoneet, televiestintä, anturit ja mikroskoopit. Metapintojen yksi houkuttelevimmista ominaisuuksia onkin, että niitä voidaan integroida olemassa oleviin puolijohdeprosesseihin.

Äskettäin Purduen yliopiston tutkijat esittelivät entistä eksoottisempien hyperbolisien metamateriaalien mahdollisia sovelluksia. Kyseessä ovat ultra-ohuita kiteisiä kalvoja, jotka voisivat tuoda edistynyttä optiikkaa mikroskooppeihin, kvanttitietokoneisiin ja aurinkokennoihin.

Hyperbolinen metamateriaali toimii kuin metalli kun valo kulkee sen läpi yksisuuntaisesti ja kuten eriste valon kulkiessa kohtisuorassa suunnassa.

Resonoiva optinen diodi

Yksittäisten optisten komponenttien osalta Washington University in St. Louisin tutkijat ovat luoneet optisen diodin optisten resonaattoreiden avulla.

Toisiinsa läheisesti liittyvät mikroresonaattorit, jotka ovat tasapanoissa vahvistuksen ja häviön suhteen, muodostavat symmetrisen pariteetti-aika (PT) - järjestelmän.

PT-symmetrian periaatteiden soveltaminen optiikassa johtaa ilmiöihin, joita ei ole ennustettu perinteisessä fysiikassa. Resonaattoreissa pariteetti-heijastuksen muunnoksessa häviöstä tulee vahvistus ja vahvistuksesta tulee häviö.

Washingtonin tutkijoiden kehittämät resonaattorit ovat niin pieniä, että niitä voidaan käyttää tulevaisuuden tietokoneissa ja optisissa järjestelmissä. Nyt diodit on valmistettu piidioksidista mutta ne voidaan valmistaa myös muista materiaaleista, jotka ovat CMOS-yhteensopivia.

Kvartsikiteiden korvaaja

Optisia rakenteita hyödyntäen tavoitellaan myös perinteisten sähköisten piirien tasolla muun muassa kaistanleveyden lavennusta ja toimintatarkkuutta.

Ryhmä California Institute of Technologyn (Caltech) tutkijoita on kehittänyt niin pienen optisen referenssilähteen, että se voidaan sijoittaa mikropiirille.

Laite on suunniteltu kvartsikiteiden korvaajaksi sillä se tarjoaa tarkan valotaajuuden, mikä parantaa sekä optisia että elektronisia laitteita, kun sitä käytetään referenssinä.

 Kesäkuu 2014

Veijo Hänninen

Futuristinen spintroniikka

Spintroniikka tutkii mahdollisuutta hyödyntää elektronin spiniä tallentamaan, käsittelemään ja siirtämään tietoa eli saamaan siitä tulevaisuuden tietotekniseksi peruselementiksi biteille sellaisenaan tai elektronin varauksen lisäksi.

Jo tähän mennessä kehitetyn puolijohteisen spintroniikan ilmiöt lupailevat yhdistää uusia spinin mahdollistamia toimintoja nykypäivän mikro- ja optoelektroniikkaan.

Spintroniikan onnistuminen perustuu mahdollisuuteen luoda ja hallita spiniä ja erityisesti generoida toimivaa elektronin spinin polarisaatiota huoneenlämmössä.

Uudenlaisia laitteita

Spin-perustaisen elektroniikan alkuna voidaan pitää vuonna 1988 esiteltyä (giant magnetoresistive effect, GMR) -rakennetta. Se koostuu ferromagneettisista ja ei-magneettisista ohutkalvoista. Tällaisen paketin resistanssi muuttuu sen mukaan tuleeko siihen kohdistuva magneettinen momentti ferromagneettisen kerroksen suuntaisesti vai ei.

GMR:ää ja vastaavia rakenteita käytetään jo vakiintuneesti magneettisen kentän antureissa, kiintolevyjen lukupäissä, galvaanisissa erottimissa ja (magnetoresistive random access memory) MRAM-muisteissa. Nämä ovat kuitenkin vielä passiivisia ratkaisuja.

Alalla toivotaan, että kun yhdistetään elektroniikka, fotoniikkaa ja magnetiikkaa saadaan uudenlaisia spinperustaisia monitoimisia laitteita kuten spin-fettejä, spin-ledejä ja spin-RTD (resonant tunnelling device) -rakenteita, optisia kytkimiä, jotka toimivat terahertsien taajuuksilla, modulaattoreita, en- ja dekoodereita sekä kvanttibittejä kvanttitietokoneita ja kvanttiliikennettä varten.

Nopeusennätyksiä

Spiniä voidaan operoida huomattavasti nopeammin kuin elektronien varausta.

Elektronin spin reagoi hyvin nopeasti pieniin magneettikenttiin eli ​​ulkoisilla magneettikentillä voidaan kääntää spinin suunta.

Sähköisesti spinvirta voidaan herättää muutamien nanosekuntien kuluessa. Eräässä tutkimuksessa lämpötilaerojen avulla saatiin aikaan spinvirtoja muutamissa pikosekunneissa.

Eindhovenin teknillisessä yliopistossa toiminut tutkijaryhmä käytti erittäin nopeita laserpulsseja generoidakseen magneettis-neutraali-magneettisessa kerrosmateriaalissa elektronien vuon, joka paketin läpäistessään aiheuttaa spinien yhdensuuntautumista ja sitä kautta alemman kerroksen magnetoinnin suunnan muutoksen.

Näin tämän kerrosmateriaalin magnetointi voitiin muuttaa sadassa femtosekunnissa, mikä on jo tuhat kertaa nopeampi kuin nykyisissä magneettisuuteen perustuvilla kiintolevytekniikoilla on mahdollista.

Spintroniikka pyörähti eteenpäin

Spinejä löytyy kaikenlaisista hiukkasista mutta vuonna 2007 yhdysvaltalaistutkijat onnistuivat ensimmäistä kertaa mittaamaan ja hallitsemaan piin elektronien spinejä.

Pii on elektroniikkateollisuuden perusmateriaali, joten mahdollisuus sen hyödyntämiseen antoi spintroniikalle käytännöllistä uskottavuutta.

Ensimmäinen askel kohti spintroniikkalaitteita on saada puolijohteeseen enemmistö tietyn spinin arvon omaavien elektronien virtaa.

Koska spin voidaan käsittää eräänlaisena pienenä magneettina alkuun spintronisten tekniikoiden mahdollisuuksia etsittiin magneettisista puolijohteista.

Hallittua magnetismia

Alkuvaiheessa mahdollisen spintroniikan sovelluksiin ajatellut materiaalit olivat heikosti magneettisia puolijohteita eli normaaleja puolijohteita, joihin on lisätty pieni määrä magneettisia atomeja, mikä tekee ne ferromagneettisiksi.

Kun esimerkiksi muutama prosentti gallium-atomeista GaAs-puolijohteessa korvataan mangaani-atomeilla tuloksena on heikosti magneettinen puolijohde.

Keväällä 2013 Delawaren yliopiston tutkijat vahvistivat elektronien generoimien magneettikenttien olemassaolon.

Muutamana vuonna sitä ennen tutkijat olivat onnistuneet generoimaan puhdasta spinvirtaa, jossa elektronit, joilla on erisuuntainen spin virtaavat vastakkaisiin suuntiin. Se saatiin aikaan syöttämällä virtaa raskasmetalliin, joka ei ole magneettinen, kuten platina, wolframi ja tantaali.

Raskasmetallin ja ferromagneettisen materiaalin kerrosrakenteessa puhdas spinvirta diffusoituu ferromagneettiseen materiaaliin. Siellä se tuottaa magneettisen kentän, joka voidaan havaita ja suuntaa vaihtaa.

Tutkijoiden sittemmin havaitsema magneettikenttä rajoittui ferromagneettiseen materiaalin sisälle toisin kuin perinteinen magneetilla luotu magneettikenttä, jota on vaikea rajata ja suojata.

Löydöstä on hyötyä erityisesti tiheillä integroiduilla piireillä, kuten magneettisilla RAM-muisteilla, joissa magneettikenttäsolujen suojaus on erittäin hankalaa.

Magnetismia piille ja grafeenille

Loppuvuonna 2013 North Carolina State Universityn tutkijat kertoivat luoneensa heikon magneettisen yhdisteen, joka voidaan integroida piisiruille.

Tutkijat syntetisoivat strontium-tinaoksidi (Sr3SnO) -yhdisteen yksittäisen kiteen ohutkalvona piisirulle. Koska Sr3SnO on heikko magneettinen puolijohde, sitä voitaisiin käyttää luomaan transistoreita, jotka operoivat huoneen lämpötilassa magneettikenttiin, eikä sähkövirtaan perustuen.

Useissa yliopistoissa on onnistuttu tuottamaan myös grafeeniin huoneenlämmössä esiintyviä magneettisia ominaisuuksia. Sellaiset ominaisuudet tältä ihmeaineelta ovat ennen vuotta 2013 puuttuneet joten muutos avasi tietä grafeenipohjaisille spintronisille rakenteille.

Antimagneettinen

Tutkimustyö tuo eteen joskus yllättäviä ilmiöitä.

Nottinghamin yliopiston syksyllä 2013 päättyneessä tutkimuksessa kehitettiin antimagneettinen spintroninen materiaali, tetragoninen CuMnAs.

Antiferromagneeteissa vierekkäisten atomien elektronien spinit yleensä kumoavat toisensa. Siten onkin hieman yllättävää, että niillä voi olla aktiivinen rooli spintroniikassa.

Kuitenkin laskelmat ja kokeilut osoittivat useita uusia fysikaalisia ilmiöitä, jotka mahdollistaisivat muisti- ja anturisovelluksia. Lisäksi materiaalin korkea kidelaatu ja yhteensopivuus nykyisiin puolijohteisiin tekevät siitä kiinnostavan materiaalin uudelle antimagneettisen spintroniikan alalle.

Erityisesti koska antiferromagneetteihin ei liity magneettikenttää, antimagneettinen spintroniikka tarkoittaa yksittäisiä rakenteita, jotka eivät ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa ja teoriassa ne voidaan näin ollen pakata piirille erittäin tiheästi.

Topologiset eristeet

Toinen haara hyödyntää spintronisia mahdollisuuksia eri materiaaleissa liittyy topologisiin eristeisiin. Ne ovat sisältä eristeitä mutta pinnaltaan hyviä johteita. Niiden pintoja hallitsevat aineen kvanttiolomuodot, jotka ovat tunteettomia epäpuhtauksille ja vikakohdille.

Pinta elektronit käyttäytyvät kuten massattomat Dirac-hiukkaset eli samalla tavalla kuin grafeenin elektronit. Lisäksi pintavirrat topologisissa eristeissä säilyttävät spinsuuntaukset ja koherenttisuuden makromittakaavassa.

Kyky hallita näiden eristeiden pinnan elektronitiloja onkin siten ratkaiseva askel realisoida niiden potentiaali erittäin energiatehokkaina spintronisina laitteina.

Pintavirrat aivan omissa maailmoissaan

Vuonna 2012 Berkeley Labissa tutkittiin kolmiulotteisia topologisia eristeitä ja löydettiin muutamia yllättäviä havaintoja.

Yksi tapa, jolla elektronit menettävät liikkuvuuttaan materiaaleissa on sironta hilavärähtelyissä. Mutta Berkeley Labin ALS-tutkimuslaitoksessa tehdyt tutkimukset topologisella eristeellä osoittivat, että sen pintaelektronit tuskin kytkeytyvät hilavärähtelyjen kanssa ollenkaan.

Johtopäätösten mukaan ei siis olisi estettä kehittää topologisia eristeitä spintroniikkaan ja muihin sovelluksiin totesivat tutkijat silloin.

Tutkimus tehtiin vismuttilyijyselenidillä (Bi2Se3), jonka pintaelektronit voivat liikkua huoneen lämpötilassa.

Spin hallintaan topologisessa eristeessä

Vuoden 2013 alussa Berkeley Labin tutkijat yllätti se, miten fotonisäteellä voi kääntää kolmiulotteisesta topologisesta eristeestä lähtevien elektronien spinien polarisaatiota.

Kuvan topologisessa eristeessä elektronit liikkuvat sen pinnalla kuin metallissa. Ne ovat spin-polarisoituneita ja niiden liikemäärä (nauhan suunta) ja spin (nuolet) ovat lukittuneet yhteen.

Berkeley Labin tutkijat ovat havainneet, että emittoituneiden fotoelektronien spin polarisaatio (nuoli pallossa ylhäällä oikealla) vapautuu, kun materiaaliin iskeytyy korkeaenergisiä fotoneja (vihreät aallot) ja määräytyvät täysin tulevan valon polarisaatiosta.

Helmholtz-Zentrum Berliinissä toiminut tutkijaryhmä keksi puolestaan miten valoa voidaan käyttää topologisien eristemateriaalien pintaelektronien fysikaalisten ominaisuuksien muuttamiseksi.

-  Tuloksemme antaa tärkeää tietoa siitä kuinka häviöttömiä virtoja voitaisiin indusoida topologisiin eristeisiin, toteaa Oliver Rader yliopistonsa tiedotteessa.

Äskettäin Yorkin yliopistossa toiminut kansainvälinen ryhmä tiedemiehiä on puolestaan osoittanut menetelmän virittää topologisten eristeiden ominaisuuksia mekaanisen rasituksen avulla.

Topologista spintroniikkaa

Uusin materiaaliyhdistelmän löytö (Bi2Se3), joka voisi johtaa tehokkaampaan tapaan ohjata tietokoneen muistia tai logiikkaa esiteltiin Nature-lehdessä 24. heinäkuuta 2014.

Tutkimus, jota johti Penn State Universityn ja Cornellin yliopiston fyysikot, tutkivat "spinmomenttia" rakenteissa, joissa yhdistyvät standardit magneettiset materiaalit topologisten eristeiden kanssa. Työ liittyi spintroniikan spin-orbit kytkentään eli siihen miten tavallinen varausvirta voidaan muuntaa spinvirraksi.

Tutkijoiden mukaan kyseessä oli ensimmäinen lupaava merkki siitä, että tällaisista topologisen eristeen materiaaleista voisi rakentaa käytännön tekniikkaa.

Kokeilussa käytettiin topologisen vismutti-selenide eristeen pintaa ja todettiin, että huoneenlämmössä voi käyttää sen spin-suuntautuneita elektroneja hallitsemaan viereisen materiaalin magneettisen napaisuuden suuntaa.

Utahin yliopiston insinöörit yhdistivät puolestaan topologista eristettä ohuena (2D) metallikerroksena piipuolijohteen päälle. Tämä kvantti-spin Hall -ilmiöön perustuva suuren energia-aukon muodostava eriste puolijohteen pinnalla voisi johtaa huippunopeisiin tietokoneisiin, jotka eivät ylikuumene.

Magneettinen topologinen eriste

Kun voimakas magneettikenttä kohdistetaan kerrokselliseen puolijohderakenteeseen, näytteen reunassa syntyy virtaa ilman energianhäviötä.

Tämän Integer Quantum Hall -ilmiön odotetaan löytävän sovelluksia mitättömän virrankulutuksen elektronisissa laitteissa. Kuitenkin kvantti Hall -ilmiössä tarvitaan voimakas magneettikenttä sen syntymiseen.

Kun topologisia eristeitä seostetaan magneettisilla ioneilla, materiaalin sisäosaan syntyy ferromagneettisuutta. Tämän ja pinnan metallisen tilojen välille syntyy uudenlainen vuorovaikutus.

Tällaiset magneettiset topologiset eristeet voivat isännöidä kvantti Hall -ilmiötä ilman magneettikenttää. Tätä kutsutaan kvantisoiduksi epätavalliseksi Hall -ilmiöksi.

Koska Quantized Anomalous Hall ei tarvitse magneettikenttiä, tämän kvantti-ilmiön odotetaan löytävän sovelluksia sähkölaitteissa, joissa hyödynnetään häviötöntä reunavirtaa.

Spintroniikkaa metalliyhdisteillä

Kesällä 2014 Johannes Gutenbergin yliopiston (JGU) tutkijat onnistuivat ensimmäisinä kokeellisesti havaitsemaan sataprosenttisen spinpolarisaation huonelämpöisessä Heusler-yhdisteessä (Co2MnSi).

Heusler-seokset koostuvat useista metallisista alkuaineista, jotka on järjestetty hilarakenteeksi. Tällaisia materiaaleja voitaneen käyttää yhä pienempinä tallennuskomponentteina varsinkin kun metallimaisia Heusler-yhdisteitä voidaan tuottaa jo vakiintuneilla teollisuuden valmistusmenetelmillä.

Oksidimateriaalit

University of Arkansasin fyysikot kollegoineen tutkivat vuonna 2012 kompleksisten oksidimateriaalien pienimpiä ulottuvuuksia ja havaitsivat, että toisin kuin perinteiset puolijohdemateriaalit ne eivät ainoastaan johda sähköä, vaan kehittävät myös epätavallisia magneettisia ominaisuuksia.

Löydetty rakenne perustuu korreloivien varauksenkuljettajien ilmiöön, jollainen esiintyy esimerkiksi ruosteessa. Jos yksi elektroni tekee ruosteessa jotain, kaikki muut elektronit "tietävät" siitä. Ilmiö ei esiinny piipohjaisissa materiaaleissa, koska elektronit eivät niissä välitä toistensa tekemisistä.

Kompleksisista oksidimateriaalista löytyvät sähköiset ja magneettiset ominaisuudet ovat puolijohdeteollisuuden kannalta kiinnostavia.

Sähkö ja magnetismi yhdistäen

Sähkö ja magnetismi hallitsevat digitaalista maailmaa puolijohteiden käsitellessä sähköisiä tietoja ja magneettisten materiaalien mahdollistaessa tietojen tallennuksen.

University of Pittsburgh tutkijaryhmä on löytänyt tavan fuusioida nämä kaksi erillistä asiaa yhteen materiaaliin, pohjustaen spin-pohjaista ultratiheää tallennusta ja tietotekniikka-arkkitehtuuria.

Pittsburgin tutkijat löysivät kahden ei-magneettisen oksidin rajapinnassa magneettisia tiloja, joita voi hallita huoneenlämmössä magneettikentän sijaan sähkökentällä. Rajapinnan toteuttava materiaali on koottu kerroksesta strontium-titanaattia ja ohuemmasta lantaani-aluminaatti -kerroksesta.

Magneettisien ominaisuuksiin löytöön voidaan nyt yhdistää ultra-pieniä transistoreita, terahertsi-ilmaisimia ja aiemmin esiteltyjä yksielektronisia rakenteita.

Spin-varaus -muunnin puolijohteesta

Elektronin varauksen ja sen spinin välinen muunnos on keskeinen seikka spintroniikalle. Spin-varaus muuntimet mahdollistavat muutoksen sähköisestä signaalista magneettiseksi ja päinvastoin.

Aiemmin tällaisia muuntimia on saatu aikaan vain raskasmetalleista kuten platinasta. Sellainen soveltuu kuitenkin huonosti nykyelektroniikan valmistusmenetelmiin.

Syksyllä 2014 professori Jairo Sinovan Johannes Gutenberg University Mainzista (JGU) johtama ryhmä brittiläisiä, tsekkiläisiä ja japanilaisia tutkijoita esittelivät kehittämänsä tehokkaan spin-varaus muuntimen gallium-arsenidista (GaAs).

Näin myös Sinovan ryhmän työ osoittaa, että on mahdollista käyttää spinien manipulointiin sähkökenttää magneettikenttien sijaan.

Pääperiaate näiden muuntimien taustalla on spin Hall -ilmiö, jota professori Jairo Sinova oli mukana ennakoimassa ja havaitsemassa jo vuonna 2004.

Jos vaikka häviöttömästi?

Kvanttiteoria ennustaa, että tiettyjä eksoottisia energiatiloja, joita tuottavat elektronien liike kiintoaineissa voitaisiin käyttää ohjaamaan elektronin spiniä. Siksi sekin asia pitää tutkia mutta vasta äskettäin tutkijat ovat edes pystyneet tarkkailemaan näitä eksoottisia kvanttienergiatiloja laboratoriossa.

Hiroshi Murakawa kollegoineen RIKEN tutkimusinstituutista yhdessä Tokion yliopiston ja yhdysvaltalaisen SLAC National Accelerator Laboratoryn tutkijoiden kanssa ovat ensimmäistä kertaa kokeellisesti havainneet vaikeasti mitattavan kvanttiominaisuuden, joka tunnetaan Berryn vaiheena puolijohteessa.

Berryn vaihe on kvanttifysiikan perusmerkitys ja se aiheuttaa muun muassa kvantti version klassisesta Hall-efektistä ja on myös topologisissa eristeissä vaikuttava ilmiö.

"Kun spin Berryn vaihe on olemassa", toteaa Murakawa, "uudenlainen ilmiö, kuten spin-polarisoitu varausvirtaus ilman energian häviötä voidaan toteuttaa.  Kuitenkin kokeellinen havainto elektronin spinistä johtuvasta Berryn vaiheesta on haastava."

Haasteeseen vastaten tutkijat löysivät sopivan materiaaliyhdistelmän ja monimutkaisten kokeiden kautta uskovat löytäneensä aihetta tukevia ilmiöitä ja ovat toiveikkaita sen suhteen, että he lopulta pystyvät ohjaamaan häviöttömiä siirto-ominaisuuksia manipuloimalla Berryn vaihetta.

Mitä tekevät ytimien spinit?

Syksyllä 2014 Utahin yliopiston fyysikot pystyivät lukemaan vedyn isotooppien ydinspinejä ja he käyttivät syntynyttä dataa ohjailemaan virtaa edullisessa muovisessa oledeissä huoneenlämmössä ja ilman voimakkaita magneettikenttiä.

Tutkijoiden mukaan saavutus vie fysiikan askeleen lähemmäksi käytännön laitteita, jotka toimivat sekä spintronisesti että sähköisesti.

"Tämä kokeilu on merkittävä, koska magneettiset voimat, joita ytimet synnyttävät ovat miljoonia kertoja pienempiä kuin sähköstaattiset voimat jotka yleensä ohjaavat virtoja, mutta siitä huolimatta he pystyivät hallitsemaan virtoja", toteaa professori Christoph Boehme.

Ydinspinien hyödyntäminen voi lisätä sähköisten materiaalien tehokkuutta. Se herättää myös kysymyksen, voiko tätä vaikutusta käyttää teknologisiin sovelluksiin, kuten tietokonesiruille, jotka käyttävät ydinspinejä muisteina ja meidän menetelmää tapana lukea spinejä jatkaa Boeme yliopistonsa tiedotteessa.

Tutkimuksissa, fyysikot eivät lukeneet yksittäisiä spinejä vaan kollektiivista spiniä miljoonasta ytimestä kerrallaan. Perimmäisenä tutkimustavoitteena on pystyä lukemaan yksittäisiä spinejä erikseen.

Jo vuonna 2012 Boehme työtovereineen osoittivat samanlaisen spintronisen oledin kuin nyt tutkimuksessa käyttivät, toimivan sikahalpana magneettikentän anturina huoneenlämmössä.

Hologrammeja ja spinaaltoja

University of Californian ja Venäjän Tiedeakatemiasta koostunut tutkijaryhmä on esitellyt holografisen muistilaitteen.

Kyseinen muistirakenne hyödyntää spinaaltoja eli spinien kollektiivista värähtelyä magneettisissa materiaaleissa. Toisin kuin optisilla aalloilla, spinaalloilla on varsin hidas ryhmänopeus ja lyhyt vaimenemisaika.

Tästä syystä spinaaltoja ei ole tiedonvälityksessä aiemmin oikein noteerattu mutta tilanne on muuttumassa kun logiikkapiirit skaalatuvat nanometriluokkaan, jossa lyhyet etenemismatkat kompensoivat hitauden ja vaimennukset.

Lisäksi spinaaltolaitteet ovat yhteensopivia tavanomaisten elektronisten laitteiden kanssa ja voivat toimia paljon lyhyemmillä aallonpituuksilla kuin optiset laitteet. Tämä voi kasvattaa tallennustiheyttä aina yhteen terabittiin neliösenttiä kohden.

Lämpösähköisiä ilmiöitä

Vuonna 2006 Eiji Saitoh ja hänen Tohoku University ryhmänsä löysivät käänteinen spin-Hall (ISHE) -ilmiön.

Sen avulla osoitettiin, että spinvirta voidaan muuntaa sähköiseksi varausvirraksi havaitsemalla varausvirtaa platinakerroksessa. Tämä löytö loi tavan mitata spinvirtaa sähkövirran tai jännitteen muodossa.

Toinen Eiji Saitohin ryhmän löytämä spineihin liittyvä ilmiö on Spin Seebeck -vaikutus. Se viittaa termisen spinjännitteen generoitumiseen näytteen tasopinnan suuntaisesti.

Käänteisen spin-Hall -efektin ja spin-Seebeckin -vaikutuksen yhdistelmä tuottaa puolestaan uudenlaisen lämpösähkö (TE) -ilmiön, jonka avulla voi kerätä jännitettä lämmöstä. Yksi sen sovellus voisi olla spin-lämpösähköinen (STE) pinnoitetekniikka.

Vahvistus ja tasasuuntaus

Ruotsin Linköpingin yliopistossa toimineessa fyysikkoryhmässä rakennettiin vuonna 2012 maailman ensimmäinen spinvahvistin, jota voidaan käyttää huonelämpötilassa. Jo vuonna 2009 Linköpingin yliopistossa esiteltiin huonelämpötilassa toimiva spinsuodatin.

Singaporelaisen A*STAR Data Storage Instituten tutkijat ovat teoreettisesti soveltaneet vaihtojännitettä tavalla, joka auttaa säilyttämään spin-polarisoituneen virran materiaalin epätäydellisyydestä huolimatta.

Tutkijoiden hahmottelemasta spinvirran tasasuuntaajasta voisi tulla olennainen osa tätä tulevaisuuden teknologiaa.

Akkuja ja jäähdytystä

Edellä esiteltyjen erikoisuuksien ohella tiedemiesten horisontissa ovat myös akut, joihin voi tallentaa ja muuntaa magneettista energiaa suoraan spin-polarisoituneeksi sähkövirraksi.

Onpa kehitetty jopa ajatusta jäähdyttää nanokokoisia magneettisia materiaaleja viemällä lämpöä pois spinkantajien virran mukana.

Michael Thorwart Hampurin yliopistosta avustajineen ehdottaa järjestelmää, joka käyttää magnetomekaanista kytkentää, jossa materiaalin magneettinen tila vaikuttaa sen värähtelyenergiaan (ja päinvastoin).

Tällainen kytkentä on osoitettu rakenteella, jossa magneettinen molekyyli, joka on kiinnitetty hiilinanoputkeen.

Nanomittaista paikannusta

IBM Research Zürichin tutkijat ovat puolestaan kehittäneet spintroniikkaan perustuvan nanomittakaavan paikka-anturin.

Anturissa, mikromagneettisen dipolin mekaaninen liike muuntuu spintronis-perustaisen magneettikentän anturielementin resistanssin muutokseksi - esimerkiksi GMR-anturilla.

Magnetoresistanssiin perustuvia paikka-antureita käytetään jo teollisuudessa mutta ne eivät sovellu nanoteknologian käyttöön johtuen suhteellisen heikosta herkkyydestä ja suuresta hystereesistä.

Tässä uudessa asentoa tunnistavassa konseptissa, nämä kysymykset on ratkaistu operoimalla spintronista anturia lähellä mikromagneettisen dipolin napaa. Tässä kohtaa magneettikentällä on erittäin suuri kaltevuus, mikä vielä kasvaa kun mikromagneettien mitat skaalataan vielä pienemmiksi. Samalla kyllästyminen vältetään muotoanisotropian vaikutuksen ansiosta.

Se tosiasia, että paikannusresoluutio paranee kun anturin mitat pienenevät asettaa spintroniset asentoanturit aivan toiseen ulottuvuuteen kuin useimmat asentoanturit.

Lokakuu 2014