Nytt instrument för nya material – en innovation med potential
Elektronerna i nya material, t ex grafén, följer intressant nog inte fysikens lagar om sambandet mellan fart, massa och energi. Bland annat för att undersöka sådana material har Uppsalafysiker nu utvecklat ett superkänsligt instrument efter ett helt nytt koncept.
Körkortselever får lära sig att en bilkrock i 100 km/timme inte är dubbelt så kraftig som i 50 km/timme, utan fyra gånger så kraftig. Detta styrs av fysikens lagar om sambandet mellan fart, massa och energi. Men elektronerna i nya material, t ex grafén, följer inte dessa lagar och är därför väldigt intressanta att undersöka. Bland annat i detta syfte har Uppsalafysiker utvecklat ett superkänsligt instrument efter ett helt nytt koncept.
1981 fick Kai Siegbahn, professor vid Uppsala universitet, Nobelpriset för sin utveckling av elektronspektrometern. Den bygger på att elektronerna i ett material har en viss energi som kan mätas. Dagens teknik har i allt väsentligt varit en vidareutveckling av denna. Det Uppsalafysikerna nu utvecklat är ett helt nytt koncept för mätteknik, som kommer att kunna användas särskilt bra för att studera nya material. Särskilt intressanta är nya material med magnetiska egenskaper för elektronik, t ex i datorer.
– Elektroner har inte bara en elektrisk laddning. De uppträder även som små magnetnålar, dvs. de har spinn och det är en förutsättning för att material ska kunna vara magnetiska. Vårt instrument kan mäta detta och har en känslighet som är cirka 500 gånger större än tidigare instrument, säger professor Svante Svensson, som lett utvecklingsarbetet tillsammans med sin kollega professor Nils Mårtensson.
Forskarna har tillsammans med avknoppningsföretaget VG Scienta AB och tyska forskningsanläggningen HZB-BESSY II utvecklat instrumentet, en vinkel- och tidsupplösande elektronspektrometer, med vilket de kunnat undersöka det märkliga materialet vismutselenid (Bi2Se3). Arbetet ingår i ett samarbete som nyligen publicerats av ett internationellt forskarteam med svenska, danska och engelska forskare (Phys. Rev. Lett. 107, 096802 (2011). Vismutselenid är i sitt inre elektriskt isolerande, medan själva ytan är metalliskt ledande (en så kallad topologisk isolator). Elektronstrukturen uppvisar även en så kallad Rashbasplittring som är tio gånger större än vad som tidigare uppmätts för något material, vilket är oerhört intressant. Det gör det i princip möjligt att bygga kretsar som leder olika bra beroende på hur elektronernas spinn är orienterat. En speciell möjlighet som utpekas i den nya publikationen är en så kallad spinn-fältefekttransistor.
– Med detta instrument kan mäta tidsutvecklingen av elektronernas spinn. Bilderna som instrumentet producerar är tagna i en tidssekvens och man ser hur splittringen för att spinnet utvecklas från vänster till höger, säger Svante Svensson.
Läs mer om forskningen i Physics world.
Läs den vetenskapliga artikeln i Physical Review Letters.
Information:
Studien har finansierats av bland andra VINNOVA och Vetenskapsrådet.
För frågor, kontakta Svante Svensson, 070-425 02 56, svante.svensson@fysik.uu.se, eller Nils Mårtensson, 070-582 63 89, nils.martensson@fysik.uu.se
