Uutiset

Tutkijat luovat keinotekoisia materiaaleja atomi kerrallaan

Mahdollisuus järjestellä atomeja tarkasti tuo synteettiset kvanttimateriaalit lähemmäs toteutumista.
Tunnelointimikroskoopin (STM) kärki tarkoituksella liikutettujen klooriatomien yllä. Tutkijat ovat onnistuneet yksittäisiä atomeja liikuttamalla järjestämään vakansseja yhdessä klooriatomikerroksessa. Samalla tavoin he ovat myös luoneet atomihiloja, joilla on ennalta määritelty sähkövaste. Kuva Ella Maru Studio.

Aalto-yliopiston tutkijat ovat valmistaneet keinotekoisia materiaaleja, joilla on muokattuja elektronisia ominaisuuksia. Liikuttamalla yksittäisiä atomeja he ovat onnistuneet luomaan atomihiloja, joilla on ennalta määritelty sähkövaste. Tutkimustulokset tuovat synteettiset kvanttimateriaalit askeleen lähemmäs todellisuutta.

Nanotieteen tavoitteena on aina ollut aineen kontrolloiminen atomitasolla. Yksittäisiä atomeja on kyetty liikuttelemaan hallitusti tunnelointimikroskoopin (STM) avulla ensimmäisen kerran jo yli kaksikymmentä vuotta sitten. Atomien tarkka järjesteleminen näytteessä avaa kuitenkin uusia mahdollisuuksia. Materiaalin elektronisia ominaisuuksia on mahdollista muuntaa atomirakennetta muokkaamalla ja siten luoda uusia, keinotekoisia materiaaleja.

Kolmen tutkimusryhmän yhteistyö Aalto-yliopistossa on nyt tehnyt tästä mahdollisuudesta totta. Yhdistämällä uusia kokeellisia ja teoreettisia ideoita, tutkimusryhmät onnistuivat kontrolloimaan elektronisia ominaisuuksia tärkeissä mallijärjestelmissä. Ryhmien johtajina toimivat Peter Liljeroth (Atomic Scale Physics), Teemu Ojanen (Theory of Quantum Matter) ja Ari Harju (Quantum Many-Body Physics).

Keinotekoiset materiaalit luotiin järjestelemällä kloorivakansseja kuparikiteen pinnalla tunnelointimikroskooppia käyttäen neljän kelvinasteen (–269 °C) lämpötilassa.

”Atomirakenne määrittelee tietysti sähköiset ominaisuudet myös oikeissa materiaaleissa, mutta keinotekoisten materiaalien kohdalla hallitsemme rakennetta täysin. Periaatteessa voisimme ottaa kohteeksi minkä tahansa elektronisen ominaisuuden ja toteuttaa sen kokeellisesti”, toteaa Robert Drost, joka toteutti kokeet Aalto-yliopistossa.

Tutkijat liikuttavat yksittäisiä atomeja mikroskoopissa ja järjestävät vakansseja yhdessä klooriatomikerroksessa. Näin tutkijat luovat atomihiloja, joilla on ennalta määritelty sähkövaste.

Lähestymistapa ei kuitenkaan rajoitu tutkijaryhmän valitsemaan kloorijärjestelmään. Samaa menetelmää voidaan soveltaa moniin pinta- ja nanotieteen tunnettuihin järjestelmiin. Se voidaan jopa mukauttaa mesoskooppisiin järjestelmiin, kuten kvanttipisteisiin, joita kontrolloidaan litografisten prosessien avulla.

Atominkokoamismenetelmäänsä käyttämällä tutkijaryhmä todisti, että sähköistä rakennetta voidaan hallita rakennetuissa atomihiloissa luomalla kaksi erilaista keinotekoista rakennetta. Inspiraation näihin ryhmä sai perusluonteisista mallijärjestelmistä, joilla on eksoottisia elektronisia ominaisuuksia. Ensimmäisessä järjestelmässä, niin kutsutussa dimeeriketjussa, saadaan aikaan topologisia faasirajatiloja. Tutkijat onnistuivat luomaan tällaisia atomin tarkkuudella määriteltyihin paikkoihin rakennetta kontrolloimalla.

”Topologisten kvanttimateriaalien tutkimus on yksi nykyfysiikan aktiivisimmista tutkimusaiheista. Tutkimustuloksemme osoittavat, että ala on kehittynyt siihen pisteeseen, että aineen eksoottisia faaseja voidaan suunnitella ja valmistaa keinotekoisesti”, akatemiatutkija Teemu Ojanen selittää.
Toisella tutkituista järjestelmistä, Liebin hilalla, on eksoottinen elektronirakenne, joka voi olla merkityksellinen keinotekoisten magneettisten tai suprajohtavien materiaalien toteuttamisen kannalta.

”On ennustettu, että tässä järjestelmässä on niin sanottu litteä vyö, jossa elektronit käyttäytyvät aivan kuin niiden massa olisi hyvin suuri, mikä voi johtaa magneettisuuteen ja suprajohtavuuteen. Aiomme testata tätä tulevissa tutkimuksissa”, Harju selittää.

”Tutkimustuloksemme avaavat uuden tutkimusalueen, jossa kokeellisten ja teoreettisten tutkimusryhmien tiivis yhteistyö johtaa varmasti moniin jännittäviin löytöihin. Olemme perustamassa uutta huippuyksikköä designer-materian tutkimukselle tämän tutkimuksen jatkamiseksi. On harvinaista, että voimme keksiä teoreettisesti jonkin rakenteen, jossa on kiinnostavia ominaisuuksia, ja sitten kävellä suoraan laboratorioon toteuttamaan sen käytännössä”, Liljeroth summaa.

Tutkimustulokset julkaistiin Nature Physics -lehdessä 27. maaliskuuta.

Tutkimus toteutettiin Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksella, ja tutkimusryhmät kuuluvat Suomen Akatemian Matalien lämpötilojen kvantti-ilmiöiden ja komponenttien huippuyksikköön (LTQ) sekä Laskennallisen nanotieteen yksikköön (COMP). Tutkimuksen rahoittivat Aalto-yliopiston Centre for Quantum Engineering (CQE), Suomen Akatemia ja Euroopan tutkimusneuvosto (ERC).

Artikkeli:
Robert Drost, Teemu Ojanen, Ari Harju ja Peter Liljeroth: Topological states in engineered atomic lattices. Nature Physics 2017. DOI: 10.1038/NPHYS4080

Lisätietoja:
Professori Peter Liljeroth
Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu, teknillisen fysiikan laitos
p. 050 363 6115
[email protected]
http://physics.aalto.fi/groups/stm/

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lue lisää uutisia

Illustration image on a sunny day as the sun is setting, of Otakaari 2A, the lights in the building are lit and there are blurry images of people walking around. Grass and trees are green.
Kampus, Mediatiedotteet, Yliopisto Julkaistu:

Uudisrakennus Marsio on näyteikkuna Aalto-yliopiston tutkimukseen, opetukseen ja vaikuttavuuteen

Kilpailun kautta valittu nimi on kunnianosoitus Aino Marsio-Aallolle.
FinnFusion is a collaboration aiming to make fusion energy a reality. Photo: VTT.
Yhteistyö, Mediatiedotteet, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Aallon tutkijat tuovat heliumplasmakokeilla fuusioenergiaa lähemmäksi todellisuutta

Aalto-yliopiston tutkijat osallistuvat kansainväliseen projektiin, jonka tavoitteena on tukea fuusioenergian kehittämistä.
Vehnänjyviä
Mediatiedotteet Julkaistu:

Miljardille ihmiselle vapautuisi ruokaa, jos maatalouden sivuvirtoja kierrätettäisiin tuotantoeläinten rehuksi

Aalto-yliopiston tutkijat osoittivat, että ruokaa riittäisi jopa 13 prosenttia suuremmalle väestölle, jos tuotantoeläinten rehuna käytettäisiin enemmän maatalouden sivuvirtoja.
A satellite image of Borneo and part of Malaysia covered by plumes of smoke from fires. The many fires are marked on the map as red dots.
Mediatiedotteet Julkaistu:

Tutkijat osoittivat tekoälyn avulla: Turvesuopalojen riski kutistuu jopa neljännekseen maankäytön muutoksilla

Pahimpina vuosina Kaakkois-Aasian turvesuopalot aiheuttavat 30 prosenttia maailman hiilidioksidipäästöistä. Maankäyttö on tasapainottelua uhkien, hyötyjen ja kustannusten välillä, sanovat Aalto-yliopiston tutkijat.