Studerer elektronenes kvantedans

Komponentene i datamaskiner blir bare mindre og mindre. Men når dimensjonene blir små nok, trer nye fysiske lover i kraft. Professor Yuri Galperin og hans medarbeidere prøver å finne ut hvordan signaltransport skjer helt ned til det enkelte elektron. På den måten legges blant annet grunnlaget for nye generasjoner integrerte kretser.

BLIKK FOR SMÅ TING: Professor Yuri Galperins mesoskopiske forskning har blant annet som siktemål å frambringe mindre komponenter til datamaskiner. Foto : Ståle Skogstad (©)

Yuri Galperin undersøker elektrisk- og signaltransport i skalaer på størrelse med litt store molekyler. Målestokken som benyttes i denne forskningen, kalles nanometer, som er en milliarddels meter. På en nanometer er det ikke plass til mer enn tre-fire atomer ved siden av hverandre. Ved å forstå og dermed potensielt også kontrollere fenomenene på nanonivå, kan for eksempel nye typer integrerte kretser og lagringsmedier for datateknologien utvikles.

Studier i størrelsesorden 100 nanometer kalles mesoskopisk fysikk, og det er på dette nivået Galperins forskning beveger seg. Den mesoskopiske fysikken skiller seg fra klassisk fysikk ved at det er kvantemekanikkens lover som gjelder. Det er kvantefysikken som forklarer atompartiklenes dynamikk. Mesoskopisk fysikk og relevant teknologi er en forutsetning for eksempel for utviklingen av mobiltelefoner og ligger til grunn blant annet for Finlands høyteknologiske suksess. Det bruksrettete målet med denne forskningen er å utnytte plassen i datamaskinenes komponenter enda bedre. En gang i framtiden vil kanskje ett elektron være nok til å registrere forskjellen mellom 1 og 0 i et digitalt system. I dag må det 100 000 elektroner til før en maskin kan oppfatte et slikt skille.

Utforsker de nye lovene

Russiske Yuri Galperin har vært professor ved Universitetet i Oslo de siste ti årene, men begynte sin forskerkarriere i daværende Leningrad.

– Under sovjettiden var det internasjonalt et mål å utvikle stadig bedre elektroniske komponenter, ikke minst til militærteknologi. Derfor begynte man å interessere seg for mikronivåer. Det var behov for en ny type fysikk som kunne forklare og forstå hvordan disse mekanismene fungerer, forklarer Galperin. Nanoteknologi ble først definert som forskning i tre dimensjoner i størrelsesorden 10 til 100 nanometer.

– Men ingen kan drive teknologi på dette nivået, så man måtte forenkle og nærme seg problemstillingene på en ny måte. Nå arbeider vi i to dimensjoner, med tynne filmer eller i kontaktflaten mellom to komponenter. På den måten får vi ørsmå systemer som det er mulig å studere på forskjellige måter, forklarer Galperin.

Elektronenes bevegelser

Det er elektronenes vandringer som er i fokus for Galperins forskning, fordi elektronenes bevegelser er måten signaler transporteres på. Et av de systemene Galperin studerer, er såkalte ”kvantekanaler”. En ”kvantekanal” er kontaktflaten mellom to elektroder, og Galperin undersøker hvordan elektronene beveger seg gjennom denne kanalen. Et annet system er såkalt ”fergetransport” av elektroner, hvor en transportkomponent går i mekanisk skytteltrafikk mellom to elektroder og tar med seg elektronene fra den ene siden til den andre. Galperin undersøker også hvordan elektroner hopper mellom elektroder når de utsettes for magnetisk kraft. Et fjerde system er å frakte elektroner ved hjelp av akustiske bølger.

– Disse systemene er spesielt viktige for digital teknologi som er basert på signaler – strøm som slår seg på og av. Men det er mange problemer som oppstår. Særlig er vi opptatte av miljøets påvirkning. Ofte fungerer ikke signaltransporten slik de teoretiske modellene tilsier, fordi det gjerne er en eller annen komponent i miljøet som virker inn på prosessene. Da må vi finne ut hva som skjer, og denne vekselvirkningen mellom teori og fysiske eksperimenter kjennetegner vår forskning, forteller Galperin.

Norges muligheter

Han understreker at nanoteknologi ennå ikke er et godt utviklet forskningsfelt i Norge. Derfor gjør han og kollegene teoriarbeidet i Norge, men må ofte til utlandet for å få gjennomført eksperimentene. Galperin samarbeider med flere forskningsinstitusjoner i utlandet, blant annet Chalmers i Sverige, Princeton i USA, Weizmanninstituttet i Israel og Ioffeinstituttet i St. Petersburg.

Han er også bekymret over tilveksten av fysikkstudenter her til lands. Galperin mener Norge er i en unik posisjon til å utvikle avansert vitenskap og teknologi.

– Her finnes både menneskelige og økonomiske ressurser. Men skolene er for dårlige i realfag. En russisk student som begynner å studere fysikk ved et universitet, ligger rundt to år foran en tilsvarende begynnerstudent i Norge. I Norge er man svært flinke til å få fram unge idrettstalenter. Hvorfor ikke gjøre det samme med forskertalenter? spør Galperin, som selv var med på å bygge opp spesialutdanning for unge realfagsstudenter i Russland.

Fakta

Krever nye materialer Nye komponenter, blant annet til datamaskiner, fordrer utvikling av nye funksjonelle materialer som er designet til bestemte formål. Sammensetningen må være kontrollert, og materialene må ha gode elektriske og mekaniske egenskaper. Det er viktig for moderne teknologi at materialene som brukes, ikke fører til at komponentene ødelegger hverandre i kontaktflatene. Mikro- og nanoteknologi er derfor sterkt tverrfaglig orientert, hvor fysikere, kjemikere, ingeniører og til og med biologer kan arbeide sammen.

Emneord: Teknologi, Materialteknologi, Matematikk og naturvitenskap, Fysikk, Atomfysikk, molekylfysikk, plasmafysikk, Kjerne- og elementærpartikkelfysikk, Nanoteknologi Av Johannes W. Løvhaug
Publisert 1. feb. 2012 12:05
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere