Moderne elektronik er baseret på, at det er muligt at tænde og slukke for en strøm i en transistor. Det princip stammer i virkeligheden fra Ørsteds dage, hvor elektromagnetismen lagde grunden for teknologiske landvinger, der skubbede udviklingen frem ad. Men hvad sker der, når teknologien rykker ind i kvantefysikkens domæne, som den er godt på vej til at gøre nu?

Vi ved ikke meget om kvante-domænets materialer, der kan have den forunderlige egenskab, at deres funktionalitet kan ændre sig, når de udsættes for påvirkninger af forskellig art. Det betyder for eksempel, at materialer med isolerende egenskaber uden en elektrisk spænding igennem sig kan forandre karakter og blive strømledende, når det udsættes for en bestemt elektrisk spænding. Nogle af disse effekter kan lige frem være ødelæggende for materialernes anvendelse, mens andre kan skabe nye muligheder, der kan bygges videre på hen mod næste generations teknologi. Udfordringen i det er, at vi principielt ikke aner, hvilke der gør hvad.

Verden over forsøger forskere derfor at se ind under overfladen på de nye ”kvantematerialer”, for at se hvordan de opfører sig, når de udsættes for forskellige former for påvirkning – lidt på samme måde som man kan i biologiens verden ved at undersøge in vivo på levende væsener. Her har en gammelkendt røntgenmetode vist sig at have nye anvendelsesmuligheder. I en artikel i det ansete tidsskift, Physical Review Letters, har en forskergruppe med rod på AU nu demonstreret en måde at benytte dem på.

En godt brugt hammer

Det er professor Philip Hofmann fra Institut for Fysik og Astronomi, der har stået i spidsen for den aarhusianske del af arbejdet med den nye metode. Hans gruppe har, sammen med internationale partnere, opbygget en nano-transistor ved hjælp af guld og grafén. Den har man undersøgt med en ny udgave af en røntgenmetode kaldet Angle-resolved photoemission spectroscopy – eller ARPES.

ARPES kan groft sagt sammenlignes med at tage en biopsi i vævsprøver eller at slå en flig af en geologisk prøve – men her i nano-målestok. Her sender man fokuserede lysfotoner ned på overfladen af et materiale, og slår derved en elektron løs. Denne elektrons energiniveau og tilstand kan så måles ved hjælp af spektroskopi, der giver information om materialets elektroniske egenskaber. Denne ”nano-biopsi” påviser på den måde, hvordan elektronerne bevæger sig gennem grafén-laget.

”Røntgenmetoden er en særdeles velbeskrevet tilgang til at undersøge materialers elektroniske struktur – du kan nærmest kalde ARPES for en godt brugt hammer, som vi i forskerverdenen kender indgående, og som har været brugt i årevis til at slå elektroner løs med, om du vil. Det nye her er, at det er lykkedes at benytte ARPES til at skabe et lyspunkt på blot nogle få hundrede nanometers bredde, og på den måde påvise grafénens ledningsevne. Det åbner for nye tilgange og viden om kvantematerialerne,” forklarer Philip Hofmann.

Ny mulighed på Aarhus Universitet

ARPES har hidtil især været brugt til at undersøge krystallignende materialer med stabile substrukturer, men gruppen har påvist at metoden også er egnet til at undersøge materialer med funktionalitet, som for eksempel grafén, der er udsat for elektrisk spænding, der potentielt kan give forandring i den elektroniske opbygning.

“Det er et spændende resultat. Ikke fordi, vi har påvist graféns evne til at lede en strøm, og forblive stabil – det vidste vi i forvejen – men fordi, vi med den nye tilgang til en gammel røntgenmetode kan udføre målinger på denne måde. Denne nye tilgang kan vise sig meget brugbar, når vi skal udvikle og undersøge nye kvante-materialer, hvor spænding fundamentalt kan forandre materialers egenskaber,” forklarer Philip Hofmann.

De aarhusianske forskere er nu ved at udvikle en beamline, der bliver tilknyttet den aarhusianske partikelaccelerator, ASTRID2. Her kan man i løbet af det næste år begynde at udføre målinger på basis af de nye erkendelser om ARPES-metoden.

Artiklen Accessing the Spectral Function in a Current-Carrying Device er skrevet sammen med forskere på bl.a. Carnegie Mellon University i USA og Diamond Light Source i England, og kan læses online hos  Physical Review Letter.

Kontakt:
Professor Philip Hofmann,
Institut for Fysik og Astronomi,
Aarhus Universitet,
Email: philip@phys.au.dk,
Telefon: 23382343