Naturen bjuder på färdiga kvantelektronikkomponenter på atomär nivå
Laserliknande utstrålning har upptäckts i monokristaller av vissa lagerföreningar. Det innebär att dessa föreningar innehåller färdiga flerlagers kvantelektronikkomponenter inbyggda av naturen i dess kristallgitterstruktur. Upptäckten kan leda till utveckling av kvantelektroniken på en atomär nivå. Studien, som gjorts vid Stockholms universitet, publiceras i senaste numret av tidskriften Physical Review Letters.
Flerlagersteknik representerar den moderna elektronikens spjutspets, vars teknologiska framsteg kräver tillverkning av konstgjorda supergitter. Det innebär att en stor mängd tunna lager deponeras ovanpå varandra och fås att fungera i ett regelbundet mönster. Detta kräver en mycket komplicerad och dyrbar tillverkningsteknik. En av de mest kända flerlagerkvantkomponenter är kvantkaskadlasern, som bygger på kvantmekaniska fenomen i en stapel av tunnelövergångar formad i en halvledande supergitter.
Forskare vid Stockholms universitet har i en ny studie upptäckt ett fenomen som påminner om effekterna i en kvantkaskadlaser. Laserliknande utstrålning har dock inte observerats i en konstgjord supergitter, utan i en bit av en monokristall. Den studerade föreningen är en högtemperatursupraledare Bi2Sr2CaCu2O8 i vilken ledande kopparoxid (CuO2-Ca-CuO2)-plan åtskiljs av isolerande (SrO-2BiO-SrO) lager. Elektrisk ström kan då endast flyta från ett kopparoxidplan till ett annat med hjälp av tunnling. Det betyder att monokristall av en sådan förening representerar en naturlig atomär supergitter, som är felfri på en atomär nivå och består av en stor mängd staplade ”intrinsiska” tunnelövergångar med avstånd på bara 1.5 nanometer.
Trots de likheter som finns är det upptäckta fenomenet helt annorlunda från kvantkaskadlasern: utstrålningen sker inte i form av ljus utan ljud (kristallgittervibrationer) och är direkt kopplad till högtemperatursupraledning inom kopparoxidplan.
Det upptäckta fenomenet kan vara intressant av flera skäl. För det första leder det till en helt ny teknik för studier av högtemperatursupraledning (ett av de mest gåtfulla olösta problemen inom modern fysik) ”från inuti” av monokristaller med hjälp av intrinsiska tunnelövergångar inbyggda i kristallstrukturen. Till exempel kan den kvantkaskadliknande utstrålningen avslöja vilken typ av växelverkan som ”limmar ihop” elektroner i högtemperatursupraledare.
För det andra visar det en möjlighet att tillämpa naturliga supergittrer och intrinsiska atomära tunnelövergångar som färdiga kvantelektronikkomponenter. Det finns flera lagerföreningar i vilka perfekta atomära supergitter är formade av dess kristallstruktur. Dessutom kan deras egenskaper justeras med hjälp av små kemiska förändringar.
− I framtiden kanske det kan bli möjligt att slippa komplicerad tillverkning av konstgjorda flerlagerstrukturer. I stället kan det gå att låna färdiga och perfekta atomära supergitter från naturen för att utveckla elektroniken på den slutliga atomära nivån, säger Vladimir Krasnov, professor i kondenserade materiens fysik vid Stockholms universitet.
En illustration med förklarande text finns på www.ekmf.physto.se.
Kontaktinformation
För ytterligare information:
Vladimir Krasnov, professor i kondenserade materiens fysik vid Stockholms universitet,
tfn 08-55 37 86 06, e-post: vladimir.krasnov@physto.se
