Image
Marianne Etzelmüller Bathen

Marianne Etzelmüller Bathen i Universitetet i Oslos aula. Foto: Yngve Vogt/UiO

Nye teknologier med forskning på tomrom

I avanserte materialer kan et lite tomrom være et stort problem. Marianne Etzelmüller Bathen har forsket på fordeler og ulemper når et atom mangler.

Forskerne kaller dem gjerne defekter – små uregelmessigheter i et system som egentlig skal være perfekt. En krystall er en ordnet struktur hvor hvert atom har sin faste plass. Når et atom mangler, er på feil plass, eller er byttet ut med et annet atom oppstår det interessante egenskaper i materialet. Dette kan være både en fordel og en ulempe. Defekter var temaet for Marianne Etzelmüller Bathens doktorgrad. Arbeidet hennes ble hedret med H.M.Kongens Gullmedalje.

Materialer som fungerer under ekstreme forhold

Marianne Etzelmüller Bathen har tatt doktorgraden sin ved Senter for Materialvitenskap og Nanoteknologi, og Fysisk institutt. Der har hun forsket på materialet silisiumkarbid som består av grunnstoffene silisium og karbon. Dette materialet kan ha svært mange interessante egenskaper, avhengig av hva slags defekter det har. 

Dersom vi skal lykkes med det grønne skiftet er det behov for materialer med helt spesifikke egenskaper, og silisiumkarbid har vist seg å være en lovende kandidat, ifølge Bathen. Noe av grunnen til dette er at det er mulig å lage deler som kan fungere under ekstreme forhold. Der andre materialer for lengst ville ha smeltet kan silisiumkarbid fremdeles fungere. Et eksempel på bruksområder for slike materialer er i motoren på en elbil. 

Tomrom-eksorsisme ved høye temperaturer

En del av Bathens arbeid har handlet om en slags tomrom-eksorsisme. Målet har vært å drive ut hullene av materialet ved hjelp av høye temperaturer. Et stort problem med mange av de nye materialene, inkludert silisiumkarbid, er nemlig at defekter i materialet kan bety redusert kapasitet. I silisiumkarbid er problemet at det oppstår tomrom der det skulle ha vært et karbonatom. For at materialet skal ha den ønskede kapasiteten er det viktig å bli kvitt så mange av karbon-tomrommene som mulig. Det har lyktes forskerne å finne ut når og hvordan man kan bli kvitt slike karbon-hull. Det holder at det er ett slikt tomrom pr. milliarder atomer for at det skal ha en negativ effekt.

Forestill deg at vi er syv milliarder mennesker på denne planeten. Det holder at syv stykker gjør ugang for at absolutt alt skal fungere dårligere. Slik er det i materialet Bathen jobber med. 

Tomrom kan også føre til kvanteteknologi

Tomrom er ikke alltid en dårlig ting. Dersom det er et silisiumatom som mangler oppstår det helt andre egenskaper. Silisiumtomrom gir egenskaper som er ønsket i kvanteteknologi.

Det er flere typer kvanteteknologi, og kvantedatamaskiner er kanskje den mest omtalte så langt. 

Bathen forteller at en type kvanteteknologi som forskningen kan bidra til er kvanteinformasjon. Digital sikkerhet og kryptering er et forskningsfelt som er blitt ekstremt viktig. God kryptering er essensielt i sikkerhetssammenheng, men det er vanskelig å lage kryptering som ikke kan knekkes. I prinsippet vil også en kvantedatamaskin etter hvert kunne knekke koder som er ment for vanlige datamaskiner. Med kvanteinformasjon er det mulig å lage svært sikker kryptering fordi nøkkelen ligger i fysikkens lover. 

Kryptering ved hjelp av kvanteinformasjon

Dersom du lager en krypteringsnøkkel med kvanteinformasjon betyr det at du er avhengig av tilstanden til det du sender. Det kalles å sette et system i superposisjon av tilstander, det vil si at systemet er i to tilstander samtidig. Ofte er det fotoner (lys), men det kan også være elektroner, eller andre ting. Hvis du prøver å finne ut hvilken tilstand systemet du sender er i vil du ødelegge tilstanden, og dermed også nøkkelen til informasjonen. Det er kun den personen som har koden som vil få tilgang til informasjonen uten at nøkkelen ødelegges i prosessen. Den vanskelige delen er å sende nøkkelen, nettopp fordi den er så sårbar for påvirkning. Det er gjort forsøk ved å sende nøkkelinformasjonen ved hjelp av fotoner, det vil si én og én lyspartikkel av gangen. 

— Defektene jeg forsker på sender ut denne typen informasjon og utgangspunktet er alltid likt, forklarer Bathen. Uregelmessigheter i materialet kan likevel forstyrre fotonene på veien eller påvirke prosessen, og derfor er det viktig å forstå og kontrollere materialet. 

Ekstremt sensitive sensorer

Kvantesensorer er en annen teknologi som Bathens forskning kan bidra til. Dersom du ønsker å finne endringer som skjer i en enkelt celle, et protein, eller en veldig begrenset liten del av et materiale trenger du en sensor som kan plukke opp svært små variasjoner. Slike sensorer er det mulig å lage ved hjelp av kvanteteknologi. 

I en kvantesensor vil du utnytte den samme sårbarheten for påvirkning som gjør at informasjonen i kvanteinformasjon blir ødelagt. Det at den lett plukker opp endringer i omgivelsene gjør den til en utmerket sensor. 

Håpet er å kunne lage kvantesensorer som er stabile under ulike temperaturer, men likevel kan måle elektriske felt, eller motsatt. Det er flere prototyper på slike sensorer, og teknologien er lovende.

Alt dette var en del av Bathens doktorgrad som var en del av FUNDAMeNT-prosjektet.

2. september, ved Universitetet i Oslos 210 årsjubileum mottok hun H.M. Kongens Gullmedalje for forskningen sin.   

Fra venstre: Manuel Schweikle, Marianne Etzelmüller Bathen og Rachelle Esterhazy i aulaen mottar H.M.Kongens Gullmedalje fra Rektor Svein Stølen til høyre.
Foto: Yngve Vogt/UiO