forskere hopper i renrom

SMN-delen av Mikro- og nanoteknologilaboratoriet (MiNaLab) ved UiO skal brukes i flere av de nye FRIPRO-prosjektene. Fotograf: Geir Mogen, UiO.

– Vårt mest framtidsrettede prosjekt noengang

Allerede i 2025 kan elektronikken komme til å stange i taket. Det blir ikke lenger mulig, rent materielt, å lage mindre komponenter. Men da kommer "spinntronikken" på banen, mener fysikkprofessor Bengt Svensson.

Av Hilde Lynnebakken
Publisert 27. jan. 2016

Defekter, eller feil i materialer ser vi vanligvis på som et problem, som noe som skal elimineres eller ihvertfall minimeres. Powerbase, et gigantisk EU-prosjekt som UiO deltar i, er et eksempel på det.

I det nye prosjektet Fundament, som tildeles Toppforskmidler fra Forskningsrådet, snur forskerne på flisa og ser på hvordan defekter tvert imot kan utnyttes til noe positivt.

– Vi er så futuristiske som vi aldri har vært før, sier prosjektleder Bengt Svensson, og sikter til at forskningsgruppa hans vanligvis jobber med grunnforskning som er nokså nær anvendelser.

Bengt Svensson

Denne gangen har de både ett og to tiårs perspektiv.

Det handler altså om defekter i halvledermaterialer.

– En av styrkene til UiO er at vi i stor grad klarer å kontrollere defekter, sier Svensson.

Et eksempel: Vi kan fjerne ett enkelt atom fra en ellers perfekt krystall, og får da en defekt som vi selv har kontroll over. Vi snakker altså ikke om fabrikasjonsfeil, men selvpåførte skavanker.

Spinntronikk - den «nye» elektronikken

I Fundament-prosjektet skal forskerne se på flere anvendelser av defekter, men den Svensson synes er mest spennende å snakke om handler om kvantedatamaskiner og elektronikkens «arvtaker,» spinntronikk:

Elektronikk er basert på flytting av ladning. Spinntronikk utnytter en annen egenskap ved elektronet, nemlig spinnet.

Spinn er en kvantemekanisk egenskap, men for å forstå hovedpoenget med spinntronikken holder det å vite at elektronet kan være i en av to mulige tilstander: Opp- eller ned-spinn.

Det kan vi utnytte til lagring og overføring av informasjon, ved å la spinnet tilsvare en binær 0 og 1, byggeklossene i digital teknologi.

For å undersøke hvilken spinntilstand et elektron er i - lese av informasjon, om du vil - sendes et foton inn på elektronet. Hvis elektronet har «opp»-spinn eksiteres det, og sender ut et foton idet det faller tilbake til grunntilstand.

Har elektronet «ned»-spinn blir det ikke eksitert av fotonet, og vi får ikke ut noe svar-foton.

– Det vi vil forsøke å få til i dette prosjektet er en defekt som kan romme et elektron, og hvor elektronet blir i en gitt spinntilstand tilstrekkelig lenge, forklarer Svensson.

– Vi kan bruke flere halvledermaterialer til dette, men i første omgang er silisiumkarbid (SiC) en het kandidat, sier han.

Kryptert og superrask

Spinntronikken har to store fordeler: Ettersom kommunikasjonen er basert på lys, er den superrask.

I tillegg er det ikke mulig å lese av spinnet uten å forstyrre systemet. Dermed kan vi bruke dette til sikker kommunikasjon, det som kalles kvantekryptering.

– Når kommer denne teknologien til å bli tilgjengelig?

– Vi tror at den først kommer til å bli tatt i bruk i nisjer hvor en har behov for sikker, kryptert overføring av informasjon.

– Men allerede i 2025, tror vi, stanger elektronikken i taket, da har den tatt ut sitt potensiale. Det blir ikke lenger mulig, rent materielt, å lage mindre komponenter, sier Svensson.

– Helt konkret, hvordan går dere fram for å forske på dette?

– Vi kjøper inn silisiumkarbid av den beste kvaliteten som kan oppdrives, forteller Svensson.

– Så plasserer vi silisiumkarbid i en akselerator i renrommet på MiNaLab. Der skyter vi protoner på materialet for å skape de defektene vi er ute etter. I akseleratoren har vi mulighet for å regulere temperaturen på prøven over et stort spenn.

– I tillegg kan vi - og det er nokså unikt for vår lab - karakterisere, altså undersøke, prøven mens den sitter i maskinen.

Bedre enn Nobelfysikk

Fundament-prosjektet skal også se på andre andre anvendelser av defekter.

Nobelprisen i fysikk 2014 gikk til forskere som hadde fått fram blå LED (lysdiode), og dermed muliggjort energibesparende belysning.

– Vi skal forske oss fram til mer effektive, mer miljøvennlige og billigere halvledermaterialer til bruk i lysdioder, LEDs, sier Svensson.

I dagens LED-materialer brukes noen sjeldne metaller, som også kan være giftige - som for eksempel indium.

Det finnes lovende alternativer, som sinkoksid, men foreløpig har ingen klart å lage p-type-halvleder. Som kjent trengs både p-type og n-type halvledermateriale for å lage komponenter som lysdioder og transistorer.

Elektriske nanokrystaller

I tillegg skal Fundament-prosjektet studere nanokrystaller, spesielt de elektriske egenskapene i krystallene. På dette området finnes det lite kunnskap.

– Men vi har et nytt instrument som vi har stor tro på, sier Svensson.

Å ha det rette utstyret er viktig. Svensson berømmer de siste årenes investeringer i infrastruktur ved MiNaLab.

– Men skal vi hevde oss internasjonalt må vi presentere hver dag. Sånn sett likner toppforskning på eliteidrett.

Svensson legger også vekt på det gode samarbeidet forskningsgruppa hans har med andre grupper, og mellom eksperiment og teori.

– Det må du passe på å skrive - samarbeid er utrolig viktig for å lykkes i forskning! avslutter han.