Kristaller på nanotrådar ger material med okända egenskaper

I Lund skapar forskare nya material med egenskaper som ingen har sett förut. De precisionsbygger kristaller på nanotrådar av halvledarmaterial och studerar dem på atomnivå. Resultatet kan öppna dörrar mot elektronik och teknik som vi inte ens har fantiserat om ännu.

Projektanslag 2017

Controlled atomic scale 3D ordering for exotic electronic phases

Huvudsökande:
Kimberly Dick Thelander, professor i materialvetenskap

Medsökande:
Ferdi Aryasetiawan
Anders Gustafsson
Sebastian Lehmann
Martin Leijnse
Anders Mikkelsen
Mats-Erik Pistol
Claes Thelander
Rainer Timm

Lärosäte:
Lunds universitet

Beviljat anslag:
34,2 miljoner kronor under fem år

Utvecklingen av nya material är en avgörande del av den tekniska utvecklingen i stort. Inte minst gäller det kristaller av halvledande material, som används inom elektronik. Genom att styra kristallernas sammansättning och form styr man egenskaperna och steg för steg har det blivit möjligt att skapa allt mindre kristaller. Men i dag är de så små att variationer i enskilda atomers placering fått betydelse. Slumpvisa variationer kan ställa till problem, eftersom det påverkar materialets egenskaper, men det kan också skapa helt nya möjligheter.

Vid Lunds universitet har professor Kimberly Dick Thelander och hennes kollegor utvecklat en metod för att kontrollera exakt hur atomerna placeras i halvledande kristaller. I ett projekt med stöd av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse ska forskarna nu skapa nya material genom att testa många olika atomplaceringar, och undersöka vilka elektroniska egenskaper som uppstår.

– Det är inte bara möjligt utan till och med sannolikt att vi kommer att hitta något helt oväntat. Allt det som vi studerar är saker som ingen vet något om i dag, och vi kan inte gissa vilka praktiska effekter olika fenomen får. Materia är på det stora hela mer överraskande än många tänker sig, säger Kimberly Dick Thelander.

Nanotrådar blir bas för kontrollerade kristaller

Forskarna skapar halvledande nanotrådar av olika blandningar av material. Trådarna är extremt smala, ofta med en bredd på bara några hundratal atomer, och bygger under rätt omständigheter upp sig själva. De fungerar som mall för atomer som formerar sig till kristaller på trådarnas ytor. Eftersom trådarna är symmetriska blir kristallerna likadana på varje tråd. I laboratoriet kan flera miljarder trådar byggas på ett och samma chip, och kristallerna kan skapas av nya materialblandningar som aldrig har undersökts förut.

Kimberly Dick Thelanders egen del av projektet handlar om uppbyggnaden av nanotrådarna, att förstå hur atomerna binds samman när tråden formar sig själv. Hon vill veta mer om vad som styr det framväxande mönstret och hur det kan påverkas. De övriga forskarna i projektet har främst fokus på de nya elektroniska egenskaper som uppstår i materialen.

Nanotrådarna och kristallerna ska bland annat studeras under kraftig nedkylning och vid bestrålning med laser och röntgen. När skalan är mycket liten och miljön extrem kan materian plötsligt bete sig helt annorlunda. Ett exempel är fenomenet supraledning, då elektrisk ström passerar genom ett material utan något motstånd alls.

I de nya materialen i Lund kommer forskarna bland annat skapa excitoner; par av två partiklar där den ena är en elektron den andra ett ”elektronhål”. Eftersom elektronen är negativt laddad och hålet positivt laddat dras de till varandra. Om de möts förintas båda, men om man lyckas hålla dem ifrån varandra får paren intressanta och ovanliga egenskaper. Det förklarar Martin Leijnse, en av forskarna i projektet.

– Excitonerna kan bilda nya typer av faser, till exempel bli supraflytande. Det betyder att de beter sig som en vätska som flyter helt utan motstånd, säger Martin Leijnse.

Han berättar att projektet också ska studera så kallade topologiska tillstånd, ett koncept vars teoretiska grund belönades med nobelpriset i fysik 2016. Tillstånden har kunnat visas i praktiska experiment först de senaste åren, och i Lund vill forskarna försöka att skapa dem i nanotrådar. Att förstå de här fenomenen bättre är ett steg på vägen mot att skapa till exempel framtidens kvantdatorer och extremt strömsnål elektronik.

Exotiska men verkliga material

Projektet är ett samarbete mellan nio forskare vid Lunds universitet som är experter inom olika fält. I Lund har de tillgång till flera avancerade instrument, bland annat anläggningen MAX IV, där prover kan bestrålas med synkrotronljus, och ett nytt elektronmikroskop i vilket kristallerna kan byggas. På det viset blir det möjligt att studera dem medan de tar form, atom för atom.

Det är just den strategiska kombinationen av kompetens och instrument som är projektets styrka, enligt Kimberly Dick Thelander.

– De material vi tillverkar här skulle kunna göras någon annanstans. Det unika är att vi har så mycket expertis och nödvändig utrustning samlad på samma plats och kan använda den på ett rationellt vis.

Även om projektet handlar om ren grundforskning ser Kimberly Dick Thelander för sig att resultaten en dag kommer att användas praktiskt. Hon konstaterar att det hon och kollegorna gör är ”väldigt kvantfysikaliskt”, men att detsamma faktiskt gäller för mycket av den elektroniska utrustning som används i samhället i dag. Den vilar redan till stor del på kvantfysikaliska fenomen, även om vi inte tänker på det.

– Vi ska ta teorier och testa dem i verkligheten. Det vi arbetar med är exotiska och pyttesmå material, men de är ju ändå riktiga material som skulle kunna placeras i någonting en dag. Men först måste vi lista ut vad vi ska ha dem till – det handlar ju om applikationer som inte existerar än. Vi försöker gå bortom allt som görs just nu.

Text Lisa Kirsebom
Bild Magnus Bergström

 

Läs mer om Kimberly Dick Thelanders forskning