Einstein och Nanofysik

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "Einstein och Nanofysik"

Margareta Eliasson
för 5 år sedan
Visningar:

1 Einstein och Nanofysik Kjell Magnusson Materialfysik Karlstads universitet I Einsteins fotspår, Karlstads universitet

4 nano- (sammansättningsform av grek. na n(n)os 'dvärg'), måttenhetsprefix med beteckningen n, innebärande faktorn 10-9 (miljarddel). Exempel: synligt ljus ligger inom våglängdsområdet 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).

5 Hårstrå Dvärg Nano-dvärg (ca 5000 nm)

6 0,2 nanometer

7 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.

8 There's Plenty of Room at the Bottom Richard P. Feynman, APS speach on December 29th 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 those dots still would contain in its area 1,000 atoms. So, each dot can easily 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

10 single CN CO Nature 437, (29 September 2005)

11 Ge/Si Cu/Pd Ag/Pt BN/Rh benzoesyra/ag Nature 437, (29 September 2005)

12 Hur se atomer? Princip för STM, sveptunnelmikroskopet En mycket vass spets flyttas med piezoelektrisk effekt + Elektroner tunnlar mellan spetsen och provytan. Strömmen mäts och ger bilden.

50 nm a, Scanning tunnelling microscope images of pyramid and dome islands for the two main representative systems in semiconductor lattice-mismatched heteroepitaxy.

13 50 nm a, Scanning tunnelling microscope images of pyramid and dome islands for the two main representative systems in semiconductor lattice-mismatched heteroepitaxy. The corresponding schematic structural models are also shown 500 nm 50 nm b, Atomic force topography of a regular array of InGaAs quantum dots reflecting self-organized growth on a prestructured GaAs(001) substrate c, Lateral quantum dot molecules grown in the InAs/GaAs(001) system. Bi-, triand quad-molecules can be produced by adjusting the substrate temperature and amount of deposited material Nature 437, (29 September 2005)

14 Porphyrins substituted with two functional cyanophenyl moieties in a cis or trans configuration on Ag. Perylene tetracarboxylic diimide and melamine form a trigonal motif on Ag/Si.

20 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 n A m n B m m B n konstanterna kallas Einsteinkoefficienter ur dessa enkla utgångspunkter kan Plancks strålningslag härledas utan ytterligare antaganden, utöver centrala resultat ur Termodynamiken.

21 Spontan och stimulerad emission 1 m n m B n n A m

22 Spontan och stimulerad emission 2 n Bm m n

23 Laser principen Aktivt medium ger ljus-lavin ljus, hv Spegel Halv -spegel ljus, hv De våglängder som passar mellan speglarna förstärks kraftigt vid varje passage

24 En simulering av laser och stimulerad emission

26 Utvecklingen av laser light amplification by stimulated emission of radiation 1917 Albert Einstein förutspår stimulerad emission av strålning 1954 Charles Townes konstruerar ammoniakmasern microwave 1958 Townes och Schawlow föreslår en optisk maser lasern Rubin-lasern uppfinns av Maiman och He-Ne lasern uppfinns av Javan Halvledarlasern uppfinns av Hall, utvecklas vidare av Alferov och Kroemer 1975 Laser för telekommunikation 1987 Första laser-kirurgin på näthinna 1992 Konstruktionen av LIGO startar

27 LIGO - Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory Varje arm är 4 km lång En gravitationsvåg rubbar speglarna och ändrar laserljusets interferens.

28 Laser idag.. en del av vardagen.

29 Streckkodsläsaren i affärentänk på Einstein! Laser strålar ut, ljussensor tar emot reflexerna och översätter till siffror.

30 Laserdioden en nanosandwich

31 Laserdioden en nanosandwich detaljerna är atomer i lager Materials Today, Volume 6, Issue 10, October 2003, Pages 22-31

32 Analyser med TEM transmissions elektron mikroskop Multiple quantum wells

33 743 lager senare blått ljus

34 Artificiella atomer - kvantprickar Materials Today, Volume 6, Issue 10, October 2003, Pages 22-31

35 Odling av nano-granar Guld Halvledare Halvledare Nature Materials3, (2004)

36 Kemisk sammansättning kan varieras under tillväxten Nano Letters, 2 (2), 87-89, 2002.

37 Konstnärs bild av framtida möjligheter Materials Today, Volume 6, Issue 10, October 2003, Pages 22-31

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

39 Även nanorör kan lysa - fluorescera

40 Lysande kolnanorör elektroluminiscens (IR) Science (2005)

41 Kolnanotub-glödlampa Appl. Phys. Lett (2004)

42 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.

43 En God nanojul! (i förväg)

Relevanta dokument

Innehåll. Kvantfysik. Kvantfysik. Optisk spektroskopi Absorption. Optisk spektroskopi Spridning. Spektroskopi & Kvantfysik Uppgifter

Innehåll. Kvantfysik. Kvantfysik. Optisk spektroskopi Absorption. Optisk spektroskopi Spridning. Spektroskopi & Kvantfysik Uppgifter Kvantfysik Delmoment i kursen Experimentell fysik TIF090 Marica Ericson marica.ericson@physics.gu.se Tel: 031 786 90 30 Innehåll Spektroskopi & Kvantfysik Uppgifter Genomförande Utrustning Assistenter