Krumt kulstof til fremtidens elektronik – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Forside
Videresend til en ven Resize Print Bookmark and Share

Niels Bohr Institutet > Nyheder > Nyheder 2011 > Krumt kulstof til frem...

23. januar 2011

Krumt kulstof til fremtidens elektronik

En ny videnskabelig opdagelse kan få stor betydning indenfor nanoelektroniske komponenter. Forskere fra Nano-Science Centeret ved Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet har i samarbejde med japanske forskere vist, hvordan elektronerne på tynde rør af grafit udviser et unikt samspil mellem deres bevægelse og deres tilknyttede magnetfelt – det såkaldte spin. Opdagelsen baner vejen for en hidtil uset kontrol over elektronernes spin og kan få stor betydning i anvendelser indenfor spin-baseret nano-elektronik. Resultaterne er blevet offentliggjort i det ansete tidsskrift Nature Physics.

Kulstof er et fantastisk alsidigt stof. Det er en grundlæggende byggesten i levende organismer, et af de smukkeste og hårdeste materialer i form af diamanter, og som grafit findes kulstof i blyanter. Også som grundlaget for fremtidens computerere har kulstof et stort potentiale, da fremtidige komponenter kan fremstilles af de flade atomar-tynde grafitlag, som for første gang blev observeret i laboratoriet i 2004 – en opdagelse, som udløste sidste års nobelpris i fysik.


Elektroner er tilknyttet et magnetfelt – et såkaldt spin. Man
kan forestille sig, at alle elektroner bærer rundt på en lille
stangmagnet. I flade grafitlag peger de små stangmagneter
i vilkårlige retninger. Ved at krumme det atomar-tynde
grafitlag til et rør med en diameter på få nanometer bliver
den enkelte elektrons spin tvunget til at bevæge sig i cirkler
rundt om røret, og alle spinnene retter sig ind langs rørets
retning. Effekten bliver, at alle stangmagneterne
bliver ensrettede. Det vil kunne udnyttes i fremtidens nano-
elektronik.

Udover at have en ladning har alle elektroner et tilknyttet magnetfelt – et såkaldt spin. Man kan forestille sig, at alle elektroner bærer rundt på en lille stangmagnet. Elektronens spin har et stort potentiale som grundlag for fremtidens computerchips, men denne udvikling har været hindret af, at spinnet har vist sig at være vanskeligt at kontrollere og måle.

I flade grafitlag påvirker elektronernes bevægelse ikke spinnet og de små stangmagneter peger i vilkårlige retninger. Grafit har derfor ikke været et umiddelbart emne for spinbaseret elektronik.

Nyt spin i krumt kulstof

"Vores resultater viser imidlertid, at hvis grafitlaget krummes til et rør med en diameter på få nanometer, bliver den enkelte elektrons spin pludseligt kraftigt påvirket af elektronens bevægelse. Da elektronerne på nanorøret yderligere er tvunget til at bevæge sig i simple cirkler rundt om røret bliver effekten, at alle spinnene retter sig ind langs rørets retning", forklarer forskerne Thomas Sand Jespersen og Kasper Grove-Rasmussen på Nano-Science Centeret ved Niels Bohr Institutet.

Man har tidligere antaget, at dette fænomen kun kunne ske i særlige tilfælde af én enkelt elektron på perfekte kulstof nanorør, der var frit svævende i vacuum – en situation som er meget vanskelig at realisere i virkeligheden. Nu viser forskernes resultater, at ensretningen sker i de generelle tilfælde med vilkårligt mange elektroner på et kulstof nanorør med fejl og urenheder, som altid vil være tilstede i realistiske komponenter.

Samspillet mellem bevægelsen og spinnet blev målt ved at sende en strøm gennem et nanorør, hvor antallet af elektroner kan kontrolleres enkeltvis. De to danske forskere fortæller, at de yderligere har påvist, hvordan man kan styre styrken af effekten eller helt slukke for den, ved at vælge det rette antal elektroner. Derved er der åbnet for en hel række nye muligheder for kontrol og anvendelser af spinnet.

Unikke egenskaber

I andre materialer som f.eks. guld har elektronernes bevægelse også en kraftig indflydelse på spinnenes retninger, men da bevægelsen er uregelmæssig, kan man ikke opnå kontrol over elektronspinnene. Herved adskiller kulstof sig endnu engang fra andre materialer ved at besidde helt unikke egenskaber – egenskaber, der kan få stor betydning i fremtidens nano-elektronik.

Artikel i Nature Physics >>