Nyt fænomen observeret i materialefysikken

Det er lykkedes en ung dansk forsker at skabe intet mindre end en revolution indenfor materialefysikken: han og en gruppe amerikanske forskere har skabt en ny måde at se langt ind i atomernes verden, og med den ny teknik har de observeret en eksotisk partikel, der åbner for nye spændende materialeegenskaber. Fundet er offentliggjort i det ansete tidsskrift, Nature Physics.

23.01.2018 | Rasmus Rørbæk

Ved at placere lag af todimensionelle materialer oven på hinanden har en danskledet forskningsgruppe formået at tage solide skridt mod udviklingen af nye materier, der kan skabe fremtidens teknologi. (ill: Søren Ulstrup et al)

Søren Ulstrup har været med til at udvikle en metode, der kan se langt ind i materialers atomare strukturer, og har observeret et hidtil ukendt fænomen; partiklet trion. På Aarhus Universitet skal den unge fysiker nu opbygge et forsøg på partikelacceleratoren ASTRID2, og undersøge dybere ind i trionernes betydning for fremtidens forståelse for materialernes elektronstrukturer. (foto: Rasmus Rørbæk)

Sådan fungerer metoden: lys fra Advanced Light Source sendes ind mod prøven nederst i højre side af illustrationen her. Lyset udbredes fra en spalte og rammer det fokuserende optiske element, som fungerer som en slags filter, der kun tillader ultra fokuseret lys at slippe igennem. Her er det nye i metoden, for det er via filteret, at man nu kan fokusere langt mere fint end hidtil. Fra filteret sendes lys ind mod prøven, og de ’afslåede’ elektroner derfra opfanges i spektrometeret, der udfører selve målingen. (ill: Søren Ulstrup)

Den nye partikel: Til venstre ses ’lagkagen’ med h-BN (bornitrid) som lagkagens violette bund og så WS2 (wolfram disulfid) som glasuren med grøn farve. Bag ved kagen ses et billede af selve effekten, som er opdaget, hvor farverne viser energispektret af elektronerne i materialet målt med microARPES. Spektrets ændring ved elektrondopingen kan følges i billedserien, hvor halvlederens elektroniske tilstande, de såkaldte valensbånd og ledningsbånd, kan observeres. Pilene viser fremkomsten af trionen, som også er illustreret i det sidste billede. (Ill: Søren Ulstrup)

Vores opfattelse af verden er i meget høj grad afhængig af, at vi kan sanse vores omgivelser på en eller anden måde. Det kan være at mærke vindens sus, se svinget på vejen eller dufte den friskbryggede kaffe.

Det er det samme for forskere, der verden over arbejder med eksotiske sansninger. Her handler det om at finde frem til de byggesten, der omgiver os og skaber vores verden, og her er det ikke nok, at man kan fornemme om vinden er kold eller varm. Man er nødt til at finde på nye metoder til at opdage de ting, man kan måle, men ikke se.

Det er kompliceret arbejde, men belønningen er ganske håndgribelig for de, der lykkes: stort set hver gang man har lykkedes at finde en ny metode til at se i højere detalje, har man opdaget nye fænomener.

Det er her, vi møder en ung fysiker, der netop er hjemvendt fra et forskningsforløb i USA ved ”maestro” eksperimentet ved Advanced Light Source i Berkeley. Her har han arbejdet med at finde nye egenskaber i materialer, der kan afløse dem, vi bruger i teknologi i dag. Søren Ulstrup, som forskeren hedder, er kommet hjem med en ny måde at undersøge eksotiske materialer på – og har også været med til at opdage et nyt og overraskende fænomen i atomernes verden.

”Fundamentet i enhver fysikers arbejde er, at vi forsøger at se længere ud, dybere ind og i finere detalje. Det er det, der lykkedes for os i gruppen, hvor jeg har haft ansvaret for studiet, der er udført ved synkrotronen Advanced Light Source i Berkeley i USA, under mit ophold. Det fund har gjort det muligt for os at afdække ganske overraskende fænomener forbundet med elektronerne i materialer, som nu skal undersøges,” siger Søren Ulstrup, der i dag er adjunkt ved Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet.

Fornyet fokus
Metoden, man har brugt, kaldes ’ARPES’ – eller i danske fagtermer ’vinkelopløst foto-emissions spektroskopi’. Uden at gå for dybt i detaljerne, er det en metode, hvor man stråler intenst lys mod et materiale, man vil undersøge. Denne proces ’slår’ en elektron ud af materialet, der sendes ind i et måleapperatur, hvor elektronens energispektrum registreres. Tænk på det som at pirke en meget lille prøve løs fra en plade, som man så tager ind under et mikroskop, der viser sammensætningen af prøven som et spektrum.

Den nye tilgang til ARPES kaldes microARPES. Den får firkantet sagt den gamle metode til at ligne en knophammers slag sat op mod en pincets præcision. Her er man i stand til at styre fokuspunktet af det lys, man sender ind på prøven med helt uhørt præcision, så man er gået fra at fokusere i millimeter til at komme ned på mikrometer-skala, og videre ned på rekorden på 120 nano-meter. Et spring i billedopløsning, der i grove træk kan minde om, at kunne skimte en baghave og så at kunne fokusere ned på et enkelt græsstrå og se, hvordan det opfører sig i forhold til resten af plænen.

”Denne nye metode gør det muligt for os at iagttage elektronernes opførsel ganske nøjagtigt, og i helt nye detaljer. Det gør det samtidig muligt at afsøge de elektronstrukturer, der er i nye prøve og at afprøve nye muligheder for at tune elektronernes fysik,” forklarer Søren Ulstrup.

Mød Trion: den nye partikel
Den ny microARPES-metode har allerede betydet nye og overraskende erkendelser indenfor materialefysikken. Selvsamme gruppe har offentliggjort en artikel, der beskriver ikke bare metodens anvendelse på et nyt materiale men også observationen af en elusiv partikel, der kendes under navnet ’Trion’.

Man har brugt den såkaldte Van der Waal tilgang til materialer, hvor man tager to todimensionale materialer og lægger ovenpå hinanden – i bedste lagkagestil – en på ingen måde nem opgave, da hvert kagelag blot er et enkelt atomlag tyk. Metoden kendes fra arbejdet med kulstof-materialet graphen for eksempel, men i dette tilfælde har man haft succes med at placere det isolerende stof ’bornitrid’ oven på det halvledende ’wolfram disulfid’ eller WS2 oven på. Den sammensætning gør det muligt at udføre eksperimenter med WS2, som er en vigtig ny form for halvleder indenfor teknologisk forskning.

Søren Ulstrup og gruppen har ved hjælp af microARPES målt effekten af at fylde deres ’lagkage’ op med elektroner eller dopet som det kaldes – hvilket giver anledning til nye processer i de ledende egenskaber i WS2.

”I eksperimentet har vi frembragt en eksotisk ny partikel, der består af en elektron bundet til to huller i materialet. Hullerne opstår, når vi stråler det intense lys på prøven og som følge at dopingen. Denne treenighed af et elektron-hul-hul par kompleks kaldes en “trion”. Vi ser så direkte ved hjælp af microARPES at denne trion har en kæmpe indflydelse på halvlederens egenskaber, hvilket er ekstremt interessant for fremtidig forskning, fordi man netop tror på at disse materialer kan bruges til “spintronics”, hvor man lagrer information i elektronens spin. Det er et af de helt store forskningsemner for grupper over hele verden, så det er meget spændende, at vi nu har påvist det her,” siger Søren Ulstrup.

Man har ikke set en trion før – ikke på denne måde i hvert fald. Fundet har overrasket gruppen meget, da man ikke havde kendskab til den tilstand, hvor der opstår så store gab imellem elektronernes energitilstande. Det er her, det helt unikke skal findes:

”Vi ser, hvordan de tre elementer i trionen trækker i hinanden og interagerer. Denne erkendelse er meget interessant, da det kan betyde nye muligheder for at kontrollere egenskaberne i fremtidens elektronik for eksempel. Man kan i princippet styre disse partikler som man gør i en computerprocessor; her blot ved at dope eller ej.

Det lyder flot, men man kan næsten sige, at vi er på vej ind i en ny æra for materialeforskningen med denne indsigt. Det har ikke været muligt at se så dybt ind i atomernes verden før, og nu kan vi se fænomener som trionen udfolde sig,” forklarer Søren Ulstrup.

ASTRID2 overtager
Søren Ulstrup er nu ’hjemme’ på Aarhus Universitet igen, hvor han også tidligere har arbejdet på materialernes forunderlige verden. Nu som adjunkt, hvor han er ved at opbygge helt nye forsøg på ASTRID2; Aarhus Universitets partikelaccelerator. Her kan man udvikle på microARPES forsøget og undersøge dybere ind i trionernes betydning for fremtidens forståelse for materialernes elektronstrukturer.

Ambitionen er, at man i fremtiden kan låse op for egenskaberne af disse fantastiske materialer, og også skabe helt nye materialer med nye former for vekselvirkninger mellem de elektroniske tilstande.

Opholdet ved gruppen ”maestro” (Microscopic And Electronic STRucture Observatory) ved Advanced Light Source i Berkeley har været muligt ved hjælp af Det Fri Forskningsråds Sapere Aude program. 

Arbejdet ved ASTRID2 sker som et led i VILLUM Fondens Young Investigator Programme, hvor Søren Ulstrup modtog 10 mio. dkk i 2017 til projektet ’Electronic structure up-close with photoemission at the nanoscale’.

En del af arbejdet vil foregå under forskningscenteret iMAT, der blev grundlagt i 2017.

Læs den videnskabelige artikel hos Nature Physics via dette link.

Kontakt:
Adjunkt Søren Ulstrup,
Institut for Fysik og Astronomi,
Aarhus Universitet,
Mobil: 2292 7702,
Email: ulstrup@phys.au.dk

Science and Technology, Offentligheden / Pressen