Redaktion og opdatering af indholdet på denstoredanske.dk er indstillet pr. 24. august 2017. Artikler og andet indhold er tilgængeligt i den form, der var gældende ved redaktionens afslutning.

  • Artiklens indhold er godkendt af redaktionen

faststoffysik (Aktuelle eksempler)

Oprindelig forfatter HSmi Seneste forfatter Redaktionen

Det kondenserede stofs fysik er så langt det største af fysikkens store emneområder, og det er naturligvis helt umuligt at give en kortfattet, dækkende beskrivelse af dets mange delområder, der er under stadig ændring. Her gives i stedet nogle aktuelle eksempler, der illustrerer spændvidden inden for området.

Optiske fibre. A.G. Bell udtog patent på et optisk telefonsystem så tidligt som i 1880, men det var først hundrede år senere, at optisk kommunikation for alvor tog fart med udviklingen af glasfibre bestående af silikat. Glassets sammensætning er afgørende for, hvor meget lyssignaler dæmpes i fibre og for muligheden for at forstærke signalet under dets udbredelse. Dæmpningen er mindst i et "vindue" af bølgelængder i det infrarøde område svarende til bølgelængder mellem 1200 og 1600 nm. Noget af dæmpningen skyldes uundgåelige fluktuationer i glassets dielektricitetskonstant, men også urenheder som hydroxylioner bidrager til absorptionen. Grunden er, at ionens oxygen- og hydrogenatom vibrerer omkring deres indbyrdes ligevægtsafstand, ganske som atomerne i krystallinske stoffer vibrerer omkring deres plads i det regelmæssige krystalgitter.

Da en vis mindste dæmpning som nævnt er uundgåelig i en glasfiber, må signalet forstærkes, hvis lyset skal sendes over lange afstande. Det kan opnås ved tilsætning af fx erbiumioner, der kan forstærke signalet gennem stimuleret emission. En anden forstærkningsmekanisme udnytter den såkaldte Ramanproces, hvorved fotoner fra en "pumpe" forstærker signalet ved stimuleret udsendelse af fononer.

Annonce

Optimeringen af glasfibres optiske egenskaber og udviklingen af nye materialer foregår således i et tæt samspil mellem optik, faststoffysik og atom- og molekylfysik.

Mikromaskiner. Evnen til at fremstille integrerede kredsløb med meget små dimensioner er forudsætningen for mikroprocessoren og dermed for den moderne computer. Mikromaskiner, eller mere præcist mikro-elektromekaniske systemer (MEMS), med dimensioner mellem en tiendedel og hundrede mikrometer udnyttes allerede kommercielt i fx en airbag. Som eksempel på forskningsmæssig anvendelse af mikromaskiner kan nævnes MEMS-magnetometre, der kan måle, hvorledes magnetiske fluxkvanter hopper ind i og ud af type-II superledere. Effekten er baseret på, at fluxkvanterne sidder fast i superlederen, der er anbragt på en lille torsionsoscillator (en MEMS). Da det ydre magnetfelt er konstant i tiden, vil et enkelt fluxkvantum, der hopper ind i superlederen, give anledning til et ekstra drejningsmoment, der ændrer oscillatorens svingningstid. Ved at måle oscillatorens resonansfrekvens (typisk ca. 40 kHz) som funktion af et voksende ydre magnetfelt kan man direkte iagttage, hvorledes fluxkvanterne hopper ind i det superledende materiale.

Blandt de mange usædvanlige aspekter af mikromaskiners virkemåde er den relativt store betydning af deres overflade i forhold til deres rumfang. Jo mindre man gør en maskine, desto større bliver forholdet mellem dens overflade og dens rumfang. Derfor spiller gnidningsprocesser en relativt langt større rolle på denne mikroskala end for de maskiner, vi kender fra vores dagligdag. Fremtidens anvendelser af mikromaskiner er det naturligvis umuligt at spå om, lige så lidt som transistorens opfindere i 1947 kunne have forudsagt nutidens mikroprocessorer og deres anvendelser i hjemmets elektriske apparater.

Superledende materialer. Keramiske superledere, hvori elektriske strømme kan løbe uden modstand ved temperaturer op til 150 K, har været et centralt emne for faststoffysikken siden 1980'erne. Disse stoffer har en kompliceret opbygning, da de er sammensat af tre, fire eller fem forskellige grundstoffer. Det vakte derfor stor opmærksomhed, da en japansk forskergruppe i 2001 påviste, at et så simpelt materiale som magnesiumdiborid (MgB2) er superledende ved temperaturer op til 39 K. I modsætning til de keramiske superledere er det i magnesiumdiborid vekselvirkningen mellem elektroner og fononer, der er ansvarlig for superledningen. Elektronerne danner par pga. den indbyrdes tiltrækning, der formidles af de kvantiserede gittersvingninger (fononer). Overraskende viste materialets egenskaber sig at være i god overensstemmelse med BCS-teorien fra 1957, hvilket ikke er tilfældet for de keramiske superledere. Opdagelsen af superledning i magnesiumdiborid skyldtes et tilfælde, idet den japanske forskergruppe var i gang med at undersøge en række ternære forbindelser bestående af magnesium, bor og et overgangsgruppemetal som vanadium. Det viste sig, at de ternære forbindelsers superledende egenskaber forbedredes, jo mindre de indeholdt af vanadium, og det bedste resultat fremkom ved helt at undlade dette metal i forbindelsen.

Eksemplet illustrerer de uventede muligheder, der gemmer sig i nye materialer. Ofte er det tilfældigheder, der fører forskerne på sporet, ikke mindst når stoffernes sammensætning er så kompliceret, at teoretisk modelanalyse kun er til begrænset hjælp.

Magnetoelektronik. De magnetiske egenskaber af små partikler, tynde film og domæner er basis for lagring af data i fx magnetbånd eller computeres harddisk. En aflang magnetisk partikel, der består af et enkelt domæne med en typisk udstrækning mellem 10 og 100 nm, har sit magnetiske moment rettet enten med eller mod længderetningen. Den kan derfor benyttes til lagring af information, idet de digitale enheder 0 og 1 svarer til de to mulige retninger af det magnetiske moment.

Med baggrund i det fortsat voksende behov for lagring af data inden for stadig mindre områder har de fysiske egenskaber af tynde magnetiske film fået stor interesse. Man kan opbygge komplekse strukturer bestående af forskellige, både magnetiske og umagnetiske, tynde film og derved frembringe sensorer, der kan måle ændringer i magnetfelter igennem den elektriske modstands afhængighed af magnetfeltet. Effekten, der går under betegnelsen magnetoresistans, er usædvanlig stor i lagdelte magnetiske strukturer. Modstanden afhænger fx af den relative orientering af de magnetiske momenter af to film, der kan bestå af hhv. jern og chrom med en tykkelse på nogle få nm, adskilt af en umagnetisk metalfilm. Årsagen hertil er, at ledningselektronerne har spin og dermed et magnetisk moment.

Man kan opfatte den elektriske strøm som sammensat af bidrag fra spin, der peger i to modsatte retninger, op og ned. Hvis fx spin-op-strømmen er upåvirket af magnetisering i op-retningen, mens spin-ned-strømmen bremses pga. vekselvirkning med magnetisering i op-retningen, vil den samlede strøm gennem den lagdelte struktur være forskellig, alt efter om magnetiseringen i de to tynde magnetiske film har samme eller modsat retning.

Det er også muligt at fremstille halvmetalliske magneter, om hvilke det gælder, at kun spin-op-elektroner opfører sig metallisk. For spin-ned-elektronerne er der derimod et gab mellem det øverste, fuldt besatte energibånd og det nederste tomme bånd, og de opfører sig derfor, som de ville gøre i et isolerende materiale. Man benytter begrebet spintronik, der er dannet som et modstykke til elektronik, til at sammenfatte de fænomener, hvor ledningselektronernes spin og ikke blot deres ladning spiller en afgørende rolle for transporten af den elektriske strøm.

De nævnte eksempler illustrerer, hvorledes det kondenserede stofs fysik danner grundlag for en mængde af de teknologiske nydannelser, der præger vores hverdag. Muligheden for at opbygge veldefinerede strukturer på både mikro- og nanoskala har ført til mange overraskende nyudviklinger og til en opblomstring af helt nye emneområder inden for det kondenserede stofs fysik, og der er intet tegn på, at denne proces er ved at stoppe.

Referér til denne tekst ved at skrive:
Henrik Smith: faststoffysik (Aktuelle eksempler) i Den Store Danske, Gyldendal. Hentet 23. april 2019 fra http://denstoredanske.dk/index.php?sideId=74636