Material för framtidens elektronik

Projektanslag 2013

Functional Dirac Materials

Huvudsökande:
Alexander Balatsky, professor i teoretisk fysik

Medsökande:
KTH
Oscar Tjernberg
Johan Åkerman

Uppsala universitet
Annica Black-Schaffer

Chalmers
Floriana Lombardi

Lärosäte:
KTH

Beviljat anslag:
32 miljoner kronor under fem år

Långa handskrivna ekvationer fyller whiteboardtavlan på Alexander Balatskys kontor i AlbaNova universitetscentrum. I rummet har han också flera datorskärmar som hjälpmedel i sina teoretiska studier av hur material beter sig på atomnivå.

”Här kan ni se vad det är vi gör”, säger Alexander Balatsky, och visar en film där ett myller av röda och vita prickar rör sig genom en blå nätstruktur. Filmen som det har tagit ett par månader att göra, bygger på avancerade beräkningar utförda i en superdator.

– Det vi ser är ett membran gjort av grafen, som är ett Dirac-material. Här simulerar vi vattnet som kan flöda genom materialets nanoporer. Vi tror att ett framtida användningsområde är vattenavsaltning eller rening av dricksvatten från arsenik. Dna-sekvensering är också en möjlighet.

Egenskaper med stor potential

Dirac-material är en klass av komplexa och funktionella nanomaterial med stor potential i utvecklingen av nya generationer elektroniska komponenter. De här materialen har egenskaper som inte finns i dagens elektroniska material. Egenskaperna uppstår tack vare starka kopplingar mellan spinn, laddning och struktur i materialen, vilket skapar möjligheter att få fram exempelvis magnetiska eller supraledande sammansättningar, berättar Alexander Balatsky.

– All elektronik vi har omkring oss idag existerar för att vi lärt oss att hantera moderna material. Vi kan tillverka dem och ge dem vissa specifika funktioner. Det är den förmågan, att kunna manipulera material, som har lett till den enorma teknikutvecklingen i samhället de senaste 100 åren.

Alexander Balatsky är professor i teoretisk fysik på KTH och Nordita, Nordiska Institutet för teoretisk fysik. Hans forskningsområde är den kondenserade materiens fysik, där man studerar material i fast och flytande tillstånd. Under 2000-talet började han se ett mönster där olika nanomaterial uppvisade samma egenskaper. Så småningom gav han gruppen namnet Dirac-material, efter kvantmekanikens grundare Paul Dirac som fick Nobelpriset i fysik 1933.

Dirac uppfann bland annat Dirac-ekvationen, en relativistisk ekvation för beräkning av elektroners vågfunktion och en hörnpelare inom kvantmekaniken. Det går också att använda ekvationen för att modellera material.

Söker robust prestanda

Forskningsprojektet om Dirac-material har fått en femårig finansiering av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse.

– Vi har satt ihop ett riktigt bra team för det här projektet, med två teoretiker och två experimentalister. Finansieringen gör det möjligt att kunna flytta fram positionerna för att förstå och kontrollera Dirac-materialen och utifrån detta designa nya material och nanostrukturer som drar fördel av Dirac-egenskaper, säger Alexander Balatsky.

Teamet studerar hur olika egenskaper påverkar materialens prestanda, vilket är viktigt för framtida tillämpningar.

– Till exempel, om du tillför mer magnetism så vill du att responsen, hur materialet reagerar, ska vara robust för att kunna få en förbättrad funktion. Först då kan du använda det i nya tekniska produkter och applikationer.

Till gruppen Dirac-material hör bland annat grafen, topologiska insulatorer och vissa okonventionella supraledare (se faktaruta). Dessa är bland de mest studerade materialen inom den kondenserade materiens fysik idag.

Gemensamt för Dirac-materialen är att de har få punkter (Dirac-punkter) där förändringar påverkar materialets respons. Materialen är därför särskilt användbara om man vill ändra och kontrollera egenskaper. I konventionella metaller måste man vanligen hantera många punkter i materialens hålrum och ytor.

– Det finns en yta kallad Fermiyta som karakteriserar en metalls beteende. I Dirac-materialen är denna yta krympt till en punkt. De här känsliga punkterna kan vi kontrollera via matematiken i Dirac-ekvationen, säger Alexander Balatsky och ritar upp punkterna på tavlan.

Snabbväxande forskningsfält

Projektet handlar om grundläggande teoretisk och experimentell materialforskning. Teamet hoppas att forskningen även ska leda fram till några specifika komponenter med intressanta tillämpningar som spinntronik, elektronik och avsaltning med nanoporer.

– Målet är titta på okonventionella supraledare i nanoskala och se vad exakt som kontrollerar stabiliteten i Dirac-punkterna. En annan vinkel är titta på spinntroniken i topologiska insulatorer och se om det finns några intressanta möjligheter. Vi vill också studera det nya materialet kristallina topologiska insulatorer.

En av de största utmaningarna i forskningen om Dirac-material är att hålla sig uppdaterad, konstaterar Alexander Balatsky. Fältet utvecklas snabbt, inte minst inom användningen av grafen, och det är svårt att se vad som är mest spännande att gå vidare med.

– Samtidigt är det viktigt för oss att komma till en fas där vi kan visa antingen några nya fenomen eller nya applikationer för grafen och toplogiska insulatorer. Det vore verkligen coolt!

Text Susanne Rosén
Bild Magnus Bergström