Einstein och Nanofysik

Kjell MagnussonMaterialfysik

Karlstads universitet

I Einsteins fotspår, Karlstads universitet

nano- (sammansättningsform av grek. na´n(n)os'dvärg'), måttenhetsprefix med beteckningen n, innebärande faktorn 10-9

(miljarddel). Exempel: synligt ljus ligger inom våglängdsområdet 400–700 nanometer (nm).

nanometer (av nano- och meter), miljarddels meter, beteckning nm; 1 nm=10-9 meter. Atomernas utsträckningar (diametrar) ligger mellan 0,1 och 0,6 nm. Makromolekyler kan ha storlekar om hundratals nm. Ordet används i benämningen nanometerteknik (nanoteknik).

Nano-dvärg(ca 5000 nm)

Hårstrå Dvärg

0,2 nanometer

nanome´terteknik, nanoteknik, teknik för framställning av objekt mellan 1 och 100 nanometer (nm, miljarddels meter, 10-9), bl.a. använd inom mikroelektronik, bioteknik och naturvetenskaplig forskning. Den viktigaste drivkraften för nanometerteknikens utveckling är tillämpningar inom mikroelektroniken, t.ex. integrerade kretsar (transistorer m.m.) och optoelektronik (lasrar och detektorer för fiberoptisk kommunikation). Epitaxi , (halvledar)materialet byggs upp atomlager för atomlager. Nanometerelektroniken domineras av och utnyttjar olika kvantmekaniska fenomen, exempelvis för komponenter baserade på tunneleffekter. Molekylär nanometerteknik , där man söker kombinera många relativt små molekyler till större aggregat med funktionella egenskaper. Sveptunnelmikroskop (STM) och atomkraftmikroskop (AFM), känslighet och upplösning på sub-nanometernivå, diskuteras för användning för att hantera och sätta samman biomolekyler och andra nanometerstora objekt.

There's Plenty of Room at the BottomRichard P. Feynman, APS speach

on December 29th 1959.

”Why cannot we write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Brittanica on the head of a pin?

Let's see what would be involved. The head of a pin is a sixteenth of an inch across. If you magnify it by 25,000 diameters, the area of the head of the pin is then equal to the area of all the pages of the Encyclopaedia Brittanica. Therefore, all it is necessary to do is to reduce in size all the writing in the Encyclopaedia by 25,000 times. Is that possible? The resolving power of the eye is about 1/120 of an inch---that is roughly the diameter of one of the little dots on the fine half-tone reproductions in the Encyclopaedia. This, when you demagnify it by 25,000 times, is still 80 angstroms in diameter---32 atoms across, in an ordinary metal. In other words, one of thosedots still would contain in its area 1,000 atoms. So, each dot caneasily be adjusted in size as required by the photoengraving, and there is no question that there is enough room on the head of a pin to put all of the Encyclopaedia Brittanica….

… Suppose, to be conservative, that a bit of information is going to require a little cube of atoms 5 times 5 times 5---that is 125 atoms. (In) DNA molecules … 50 atoms are used for one bit of information ”

CO

single CN

Nature 437, 671-679 (29 September 2005)

Ag/Pt

Cu/Pd

Ge/Si

BN/Rh benzoesyra/AgNature 437, 671-679 (29 September 2005)

Hur se atomer? Princip för STM, sveptunnelmikroskopet

En mycket vass spets flyttas medpiezoelektrisk effekt

Elektroner tunnlar mellanspetsen och provytan. Strömmenmäts och ger “bilden”.

+

−

a, Scanning tunnelling microscopeimages of pyramid and dome islands for the two main representative systems in semiconductor lattice-mismatchedheteroepitaxy. The correspondingschematic structural models are alsoshown

b, Atomic force topography of a regulararray of InGaAs quantum dots reflectingself-organized growth on a prestructuredGaAs(001) substrate

c, Lateral quantum dot molecules grownin the InAs/GaAs(001) system. Bi-, tri-and quad-molecules can be produced by adjusting the substrate temperature and amount of deposited material

Nature 437, 671-679 (29 September 2005)

50 nm

50 nm

500 nm

Porphyrins substitutedwith two functionalcyanophenyl moieties in a cis or transconfiguration on Ag.

Perylenetetracarboxylic di-imide and melamineform a trigonal motifon Ag/Si.

Einsteins kvantteori om strålning

• växelverkan mellan elektromagnetisk strålning och materia (molekyler) sker via emission och absorption av ljuskvanta, fotoner

• materian (molekylerna) ändrar sitt tillstånd vid denna process, från tillstånd n till tillstånd m, eller tvärtom.

• såväl energi som rörelsemängd har olika värden för dessa tillstånd

• konstanterna kallas Einstein-koefficienter

• ur dessa enkla utgångspunkter kan Plancksstrålningslag härledas utan ytterligare antaganden, utöver centrala resultat ur Termodynamiken.

nmA n

mB mnB

Spontan och stimulerad emission

1

nmAm

nB

m

n

Spontan och stimulerad emission

2

nmB m

n

Laser principen

ljus, hv

ljus, hv

Aktivt medium ger ljus-lavin

Spegel ”Halv”-spegel

De våglängder som passar mellan speglarna förstärks kraftigt vid varje passage

En simulering av laser och stimulerad emission

Utvecklingen av laser –”light amplification by stimulated emission of radiation”

1917 – Albert Einstein förutspår stimulerad emission av strålning

1954 – Charles Townes konstruerar ammoniak-masern – ”microwave …”

1958 – Townes och Schawlow föreslår en optisk maser – lasern.

1960 – Rubin-lasern uppfinns av Maiman och He-Ne lasern uppfinns av Javan.

1962-63 – Halvledarlasern uppfinns av Hall, utvecklas vidare av Alferov och Kroemer

1975 – Laser för telekommunikation1987 – Första laser-kirurgin på näthinna1992 – Konstruktionen av LIGO startar

LIGO - Laser InterferometerGravitational-Wave Observatory

• Varje arm är 4 km lång• En gravitationsvåg rubbar speglarna och

ändrar laserljusets interferens.

Laser idag.. en del av vardagen.

Streckkodsläsaren i affären-tänk på Einstein!

Laser strålar ut, ljussensor tar emotreflexerna och ”översätter” till siffror.

Laserdioden – en nanosandwich

Materials Today, Volume 6, Issue 10 , October2003, Pages 22-31

Laserdioden – en nanosandwichdetaljerna är atomer i lager

Analyser med TEM –transmissions elektron mikroskop

Multiple quantum wells

743 lager senare – blått ljus

Materials Today, Volume 6, Issue 10 , October2003, Pages 22-31

Artificiella atomer - kvantprickar

Nature Materials 3, 380–384 (2004)

Odling av nano-granar

Guld Halvledare

Halvledare

Nano Letters, 2 (2), 87 -89, 2002.

Kemisk sammansättning kan varieras under tillväxten

Materials Today, Volume 6, Issue 10 , October2003, Pages 22-31

Konstnärs bild av framtida möjligheter

Kolnano-bollar och -rör hittades i askan – nu kan de odlas och modifieras

Även nanorör kan lysa - fluorescera

Science 310 1171 (2005)

Lysande kolnanorör – elektroluminiscens (IR)

Appl. Phys. Lett. 84 4869 (2004)

Kolnanotub-glödlampa

Avslutning

• Fysik handlar främst om energi och materia, krafter och växelverkan.

• Einstein gav oss nycklar till hur ljus(energi) växelverkar med materia.

• Ur detta kom efter 40 år lasern.• Telekommunikation kräver små och

energisnåla komponenter.• Nanotekniken har stora möjligheter.

En God nanoJul !(i förväg)