Vill dra nytta av spillvärmen i nanoelektroniken

När elektroniken tar klivet ned till kvantnivå öppnar sig en rad svårigheter, men även oupptäckta möjligheter. Wallenberg Academy Fellow Janine Splettstößer menar att nanoelektronikens spillvärme kan bli till oväntad nytta. 

Janine Splettstößer

Docent i mikroteknologi, nanovetenskap och tillämpad kvantfysik

Wallenberg Academy Fellow 2013

Lärosäte:
Chalmers 

Forskningsområde:
Kvantmekaniska fenomen i nanostrukturer

Utmaningarna är många när fysiken tar klivet ned till kvantnivå där mycket av den klassiska kunskapen inte längre gäller. Här finns mycket kvar att upptäcka, särskilt hos de system som inte befinner sig i jämvikt utan påverkas av sin omgivning på olika sätt. 

– Mitt mål på kort sikt är att öka förståelsen om de termodynamiska effekterna som uppstår i elektroniska kretsar i nanoskala. Detta kan öppna för tillämpningar vi inte visste var möjliga, säger Janine Splettstößer.

Hon definierar sig som teoretiker med ett intresse för den grundläggande fysiken. Helst av allt arbetar hon med papper och penna, eller med krita på den svarta tavla som hänger på hennes kontorsrum. Men gillar även att diskutera och samarbeta med experimentalister.

– Mitt teoretiska arbete är till största delen analytiskt. Jag gillar verkligen utmaningen det innebär att öka förståelsen av ett område genom att utveckla nya teorier. Visst finns det många svårigheter, allt från att skapa rätt förutsättningar för en teoretisk modell till att bekräfta en viss teori med experiment. Men vore detta enkelt så skulle ju någon annan redan ha lyckats. 

Förstå kvantmekanisk påverkan

När hon kom till Chalmers 2013 handlade hennes forskning om att förstå vad som händer när de elektroniska kretsarna blir så små att det uppstår olika kvantmekaniska effekter i dem. Då kan elektronerna ha flera tillstånd samtidigt eller existera sammanflätade som en form av spegelbilder av varandra. 

I dag går utvecklingen av nya transistorer allt snabbare och kretsarna blir allt mindre. Snart kommer de att nå en gräns som kräver nya lösningar och här blir de kvantmekaniska effekterna intressanta. Men regelboken i fysik har fortfarande en rad blanka sidor inte minst vad gäller system som hamnat ur jämvikt. 

– Om du utsätter ett system för olika former av påverkan, som att slå på eller av ström, så kan du lära dig mycket mer om de kvantmekaniska egenskaperna. Här finns effekter som inte upptäckts tidigare och för att förstå dem krävs att du kombinerar olika teorier. 

De senaste åren har Janine Splettstößers intresse dragits alltmer till den värme som bildas i de allra minsta elektroniska kretsarna. På samma sätt som i en traditionell dator bildas spillvärme när kretsarna arbetar, men i kvantmekaniska system går inte värmeutvecklingen att beskriva med traditionell fysik. Samtidig kan den skapa problem genom att överhetta de känsliga kvantkretsarna. Detta väcker frågor som om det finns möjlighet att skapa kyltekniker även för chipsystem i nanoskala, eller om det går att utvinna värmen genom att utnyttja de kvantmekaniska egenskaperna. 

– Det är viktigt att vi får ett grepp om energihanteringen även i dessa små system och det gör vi genom att öka förståelsen av termodynamikens påverkan. Kanske är det möjligt att använda värmen som en funktion i en krets, säger Janine Splettstößer.

”För mig har anslaget Wallenberg Academy Fellow varit helt avgörande. Det gav mig en grundfinansiering för fri forskning och gjorde mig till en del av ett nätverk och ett sammanhang.”

Ångmaskin i nanostorlek

Hon gör en liknelse med den klassiska ångmaskinen där värmen används för att låta ånga driva en kolv som ger kraften till ånglok eller fartyg. I de kvantmekaniska systemen kan elektroner eller fotoner ersätta ångan som verksamt medium. Det kan till och med vara möjligt att låta enstaka partiklar driva eller utföra olika uppgifter i extremt små system. 

– Vi behöver utveckla våra teoretiska verktyg för att kunna skapa oss en grundläggande förståelse över vad som sker i denna skala. Här får jag kombinera mina kunskaper om elektroniska system i nanoskala med fältet kvanttermodynamik.

Området kvanttermodynamik används för att beskriva värmetransporten i de kvantmekaniska systemen och har tilldragit sig alltmer uppmärksamhet i takt med utvecklingen av kvantdatorer. Här finns även andra tillämpningar som att omvandla värme till el med en mycket hög verkningsgrad. 

Även om Janine Splettstößer arbete är strikt teoretiskt så är det viktigt att alltid bära med sig en koppling till möjliga tillämpningar, menar hon. 

– Genom att bygga vidare på den grundläggande kunskapen kan jag öppna för en möjlighet att andra använder den för att skapa praktiska tillämpningar.

Fri forskning viktigt

Hon har sin utbildning från sitt hemland Tyskland och har sedan dess haft positioner vid en rad europeiska universitet, bland annat i Italien och Schweiz. Först när hon kom till Chalmers som Wallenberg Academy Fellow 2013 kunde hon och hennes man, som även han är fysiker, hitta arbete och rota sig i samma stad. 

– Mitt område är väldigt internationellt och kräver att du flyttar runt mycket för att kunna utföra den forskning som du vill göra. Efter tio års omkringflackande har vi hittat en plats för vår familj. Chalmers erbjuder en miljö med goda kollegor och möjlighet till samarbeten med experimentella forskare, säger hon. 

Att sätta upp mer definitiva mål än att öka kunskapen inom området är svårt, menar hon. Dessutom kan det ibland vara kontraproduktivt. 

– Forskningen måste få vara levande: vi ska röra oss i linje med de nya upptäckter som vi gör. Här krävs en öppenhet och en frihet som är möjligt med ett anslag som Wallenberg Academy Fellow. 

Text Magnus Trogen Pahlén
Bild Lovisa Håkansson, Janine Splettstößer