Archív anyag (2010. október)

Természettudományi Kar

Fizikai Intézet

Nanofizika

A kutatási terület néhány soros bemutatása

A kutatóhely rövid bemutatása  

A fenti jelenségkör értelmezése komoly elméleti kihívás, egyúttal különleges módszereket alkalmazó kísérleti kutatásokat motivál. A tudományos műhely a Fizikai Intézet ezen a területen dolgozó elméleti és kísérleti csoportjainak közössége. Szellemi hátterét a BME fizikus képzésében hagyományosan kiemelt szerepet játszó szilárdtest-fizikai iskola, a magas követelményeket támasztó doktori képzés, valamint a nemzetközi tapasztalatokkal rendelkező fiatal kutatói gárda jelenti. A kutatásokat támogató közös pályázatok közül kiemelendő a 2010-ben induló OTKA spintronika-projekt és a terület nemzetközi elismerését jelentő 2 fiatal kutatói ERC grant: CooPairEnt és Sylo.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

A nanoszerkezetű anyagok a modern tudomány és technológia számos területét forradalmasították, az űrkutatástól kezdve az elektronikán keresztül az orvostudományig. A sikeres alkalmazásokhoz azonban mindenekelőtt az alapvető fizikai tulajdonságok megismerése szükséges.

A legkisebb szintet az atomi méretű objektumok „anyagtudományi” vizsgálata jelenti, amelynek kísérleti lehetőségét a Molekuláris elektronika laboratórium    saját fejlesztésű eszközei biztosítják. Részletes ismertetésüket a témában született PhD-értekezések tartalmazzák [1,2,3]. Eggyel nagyobb méretskálát jelentenek a világszerte intenzíven kutatott szén nanoszerkezetek (fullerén, nanocső, grafén),  ezen belül azok a módosított egyfalú szén nanocsövek, melyek tulajdonságai fullerén molekulák különböző módosulatainak bejuttatásával alakíthatók [4,5]. A jobb oldali ábra a labda alakú fullerén molekulák nanocsövön belüli elrendeződését szemlélteti, alatta az 5 milliószoros nagyítású elektronmikroszkópos felvétel látható.

 

A harmadik szintet azok a mesterségesen előállított (fabrikált)  fém, félvezető és szupravezető multirétegek jelentik, amelyeknél az alkotó elemek anyagának megválasztásával széles skálán tervezhetők a nanoszerkezetek tulajdonságai. A Nanotechnológia laboratórium eszköztára a több alkotóelemből felépített szerkezetek szubmikronos laterális strukturálását is lehetővé teszi.

 

Az elektromos jelenségekben az elektron töltése mellett a spinje is fontos szerepet játszik: az elektronnak nemcsak töltése van, hanem „forog” is. Az ehhez a forgáshoz tartozó mágneses momentum határozza meg a legtöbb anyag mágneses viselkedését, a szupravezetésért pedig két ellentétesen forgó (ellentétes spinű) elektron kötött állapota felelős (Cooper-pár). 

 

A nanoméretű objektumokban az elektronok hullámszerű terjedésekor a fázis-információk fontossá válnak, a spin-memória megőrizhető, és meghatározóvá válnak a kvantumeffektusok. Ennek köszönhetően lehetővé válik, hogy az elektron spinjét információközvetítésre lehessen felhasználni (spintronika), hogy az aritmetikai műveleteket kvantummechanikai alapokon lehessen végezni (qubit),  valamint hogy néhány atomból felépülő tranzisztorok, memóriaelemek, illetve egyedi molekulákból kialakított kiemelkedő érzékenységű szenzorok készüljenek (molekuláris elektronika). A modern fizika ezen új irányzatai központi szerepet játszanak a tudományos műhely elméleti és kísérleti kutatásai, valamint technológiai fejlesztései között.

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

Célkitűzésünk olyan új nanoszerkezetek előállítása, valamint kísérleti és elméleti vizsgálata, melyekben a makroszkópikus tulajdonságokat felváltó nanofizikai jelenségkör megértése alapkutatási kihívást jelent, de egyúttal potenciális alkalmazások lehetőségét is ígéri. Az atomi méretektől a néhány száz nanométerig terjedő tartományban a korszerű nanotechnológiai eljárások (rétegnövesztés, litográfia, kémiai preparálás) mellett egy-egy célfeladatra egyedi minta-előállítási megoldásokat is keresünk (molekulák kötése atomi láncokhoz, önszerveződő rendszerek).

 

A nanoszerkezeteket saját fejlesztésű, speciális pásztázó-mikroszkópiai eszközökkel, spektroszkópiai módszerekkel, elektromos és mágneses mérésekkel minősítjük. Kísérleti kutatásaink kiemelt irányát jelenti a spin-függő jelenségek tanulmányozása:

  i. nanoméretű mágneses domének detektálása és manipulálása spin-polarizált árammal,

 ii. spin-diffúzió mérése ESR- és Andrejev-spektroszkópiával,

iii. fázis-, spin- és szupravezető-korrelációk mérése nanoszerkezetekben (nanocső, grafén). 

 

A szupravezető Cooper-párok ellentétes spinű elektronjai összefonódott elektronállapotok természetes forrásai lehetnek; megfigyelésük a kvantummechanika olyan alapelveinek határát érinti, mint az Einstein-Podolsky-Rosen paradoxon (távolba-hatás). A felhasadó Cooper-pár elektronjainak kísérleti azonosítása alapkutatási jelentőségű, egyúttal olyan nanotechnológiai feladat, melynek megoldása hozzásegíthet a jövő kvantumszámítógépei alapegységeinek létrehozásához (qubit). 

 

A kutatás másik fontos iránya egyedi molekulák megbízható kontaktálási eljárásainak fejlesztése saját építésű, ún. MCBJ mérőrendszer segítségével. Az elmúlt időszakban végzett széles körű kutatások ellenére kifejezetten nehéz feladat a megbízható molekuláris nanoszerkezetek létrehozása, hiszen a félvezető nanoszerkezeteknél megszokott mérnöki tervezés helyett a különböző anyagok és molekulák között atomi méretskálán kialakuló, részleteiben nem ismert kémiai kölcsönhatásokra kell hagyatkozni. Ezen jelenségek részletes feltérképezése elengedhetetlen feltétele a molekuláris elektronikai eszközök fejlesztésének.

Módszerek

Nanoméretű struktúrák kialakítására az elektronsugaras litográfia (EBL) a leghatékonyabb top-down módszer. EBL elve: (a) Vékony lakkréteget (PMMA) elektronsugárral megvilágítva, a réteg szerkezete lokálisan megváltozik, majd kémiailag a lakkréteg megvilágított részei eltávolíthatók, ezzel egy maszkhoz jutunk. (b) Ha a kialakított maszkra fémet párologtatunk, majd a lakkréteget teljesen eltávolítjuk, fém struktúrák hozhatók létre a 40-100 nm-es méret tartományban. EBL segítségével fém elektródák definiálhatók különböző nanoobjektumokhoz (pl. félvezető nanopálcikák, szén nanocső, grafén). Példaként egy InAs nanopálcikából kialakított nanoáramkör tervét/megvalósítását mutatják a (c) /(d) ábrák.

 

Nanométeres skálájú kontaktusok létrehozásához általánosan alkalmazott módszer a pásztázó alagútmikroszkóp használata: egy piezorendszerrel mozgatott tűt finoman hozzáérintünk a vizsgált felülethez. Ennél lényegesen jobb stabilitást érhetünk el, ha a piezo megnyúlását egy speciális mechanikai áttétellel nagyságrendekkel lecsökkentjük. Ezt az elvet valósítja meg az MCBJ technika, mellyel egyetlen atomból álló kontaktus akár pikométeres pontossággal stabilan tartható [1,2]. Atomi és molekuláris kontaktusok viselkedését saját fejlesztésű mérőrendszerekkel vizsgáljuk, mely az extrém stabilitás mellett a frissen szakított felületek tisztaságát is garantálja. Molekulákat egy fűthető kapillárison keresztül juttatunk közvetlenül a kontaktushoz.

 

Különböző elektromos tulajdonságú anyagok közötti heterokontaktusokat hagyományos,  alagútmikroszkóp elrendezésben hozunk létre. Jelenleg a durva mozgatást egy mechanikus áttétel valósítja meg, míg a nanométeres skálájú elmozdulásokhoz egy 3D piezo mozgatót használunk. Fejlesztés alatt áll egy kizárólag piezo mozgatókon alapuló mérőfej kialakítása.

 

 A vizsgált mintát szupravezető tűvel kontaktálva erősen nemlineáris feszültség-áram karakterisztikát tapasztalunk, melynek illesztéséből fontos információt nyerünk a minta elektronjainak spin szerinti polarizáltságáról. Ez egyedülálló módszert szolgáltat a mágneses tulajdonságok lokális, nanométeres skálájú feltérképezésére (Andrejev-spektroszkópia [3]). Mivel az alkalmazott néhány nm-es kontaktusokkal könnyen elérhetők 10⁹-10¹⁰ A/cm² áramsűrűségek, atomi szintű és ioncsatornás,  vagy akár mágneses kapcsolási jelenségek is megvalósíthatók az elektródák anyagainak megfelelő megválasztásával  [6,7].

 

Összetett mágneses anyagoknál napjainkban egyre több példát látunk arra, hogy optikai spektrumukból alapvető információ szerezhető a mágneses rendeződés jellegéről (Magneto-optikai spektroszkópia). Olyan fundamentális paramétereket határozhatunk meg ezáltal, mint a teljes mágnesezettség vagy az egyes alkotók mágnesezettsége, illetve a spin-pálya csatolás és a spinek közötti kicserélődési kölcsönhatás erőssége. Ez azon alapszik, hogy az elektronok mágneses állapota erősen kihat a vezetési és optikai tulajdonságaikra. A laborunkban kifejlesztett széles fotonenergia-tartományt átfogó magneto-optikai spektrométerrel tág méretskálán (10 μm–10 mm), szükség esetén alacsony hőmérsékleten (T=2–300 K) és nagy mágneses terekben (B=12 T) vizsgálunk technológiai szempontból fontos új mágneses anyagokat.

 

A parányi áramkörök elméleti leírása nem egyszerű, hiszen egyensúlytól távoli kvantummechanikai rendszerekről van szó, melyekben erős az elektronok közötti kölcsönhatás. Az elméleti csoport ezért egyfelől az elemirész-fizikában is használatos úgynevezett kvantumtérelméleti módszereket alkalmaz ezekre a parányi rendszerekre, másfelől pedig kvantumkémiai ab initio számításokat végez.  Kiemelendők talán a csoport által hosszú évek óta végzett numerikus renormálásicsoport-számítások, melyek lehetővé teszik például a nagy frekvenciás vezetőképesség számítását.

Eddigi eredmények

Az alábbi összeállítás egy-egy önmagában érthető kísérleti megfigyelést kiemelve szemlélteti az eddigi eredményeket. 

  

Arany atomokból kontrollált módon stabil atomi láncot hoztunk létre, majd meghatároztuk az aranyláncba épülő egyetlen hidrogén molekula elektromos vezetését. A kísérletek azt is megmutatták, hogy a hidrogén molekula és a szomszédos arany atomok között kialakuló kötés erősebb, mint az arany atomok egymás közötti kölcsönhatása, azaz a közismerten semleges arany a nanométeres méretskálán kémiailag aktívvá válik [8].

Nanoméretű rezisztív memóriaelemet hoztunk létre ezüst felületen, AgS rétegen keresztül wolfram kontaktussal. A 3-5 nm átmérőjű nanoeszköz jól reprodukáló, nagy kapcsolási jelenséget mutatott a néhány 100 Ohmos ellenállás-tartományban, 0,4-0,6 V kapcsolási feszültséggel. Értelmezésünk szerint a kapcsoláskor folyó 10⁹ A/cm² nagyságrendű áramsűrűség az áramiránytól függő atomi átrendeződést vált ki [6, 7].

 

Egy fém-szupravezető határfelületen az elektronok két lépcsőben konvertálódnak Cooper-párrá: egy elektron átkerül a szupravezetőbe, ahonnan pedig egy ellentétes spinű elektron visszaverődik, majd elnyelődik a fémes oldalon. Ez az ún. Andrejev-reflexió a nanométeres méretskálán zajlik le. Ha a fémes oldalon csak egyféle spinű elektron van, akkor a folyamat nem jöhet létre, hiszen hiányzik a Cooper-pár másik spinje. Az Andrejev-reflexió mérésével  így információt nyerhetünk a spin-rendeződés fokáról. Ezt a technikát használva, ferromágnes és szupravezető rétegek közé illesztett vezetőkre meghatároztuk, hogy milyen távolságon keresztül őrződik meg a spin-memória. Az ábra a spin-polarizáció arany rétegen belüli exponenciális lecsengését mutatja; a karakterisztikus hossz 53 nm.  

 

Az Andrejev-folyamatban részt vevő elektronok és lyukak egy nem szupravezető anyagban is létrehozhatják a Cooper-párokat (proximity superconductivity). Néhány száz nanométeres tartományban megnövelt sűrűségű fáziskoherens töltéshordozók segítségével félvezető anyagban keltettünk szupravezetést. A szupravezetés megjelenését az ábrán az jelzi, hogy a központi csúcs az elvi 2-es határt felülmúlja [9].  

---

Egy mikron méretű vagy annál kisebb áramkörben az elektronok koherensen, kvantummechanikai hullámként mozognak, és interferenciajelenséget mutatnak.  Véges hőmérsékleten azonban az elektronok úgynevezett inelasztikus szórást szenvednek, azaz úgy szóródnak, hogy elfelejtik a kvantummechanikai fázisukat. Az inelasztikus szórások egyik legfontosabb forrásai a mágneses szennyezők. Az elméleti csoport numerikus renormálási számításokat végezve határozta meg [10], hogy egy fémbeli mágneses szennyező hogyan vezet ilyen inelasztikus folyamatokhoz, és hogy miként függ a szórás erőssége az érkező elektron energiájától, illetve az ezt befolyásoló hőmérséklettől. Ezeknek a számításoknak a helyességét a későbbi kísérletek igazolták.

Várható impakt, további kutatás 

A tudományos műhely kutatásai a nanoelektronai fejlesztések számos területéhez kacsolódnak. Célunk az újszerű technológiákhoz kötődő nanofizikai jelenségkörök alapkutatási igényességű, részletes megértése, és demonstratív, újszerű funkciókat ellátó egyedi nanoszerkezetek és mérési eljárások fejlesztése. Ennek keretében az alábbi témaköröket emeljük ki a tervezett kutatások közül:

 

Nanoméretű áramkörökben az elektromos áram szabályozhatóvá válik egyedi elektronok szintjén, ami az elektron spinjének és töltésének minden korábbinál precízebb detektálását és manipulációját ígéri. További kutatásainkban az elektron spin koherenciáját fogjuk tanulmányozni különböző nanostruktúrákban.

 

Molekuláris elektronika területén új módszereket dolgozunk ki a kialakuló konfigurációk karakterizálására. Egyszerű molekuláris gázok kontaktálása után komplex szerves molekulák vezetési tulajdonságait kívánjuk vizsgálni.

 

Nanométeres skálájú heterokontaktusok létrehozásával számos érdekes jelenséget tanulmányozhatunk elektronsugár litográfiával elérhetetlen, akár atomi szintű méretskálán. Terveink között szerepel a mérőrendszer továbbfejlesztése inerciális piezo mozgatókkal, amelyek segítségével lehetőség nyílik lokális méréseket végezni a nanofabrikált szerkezetek tetszőleges pontján létrehozott atomi méretű nanokontaktusokkal.

 

Az elméleti kutatások egyik fő iránya zajspektrum számítása nem egyensúlyi korrelált rendszerekben. Az elmúlt év során kifejlesztettünk egy nem egyensúlyi renormálási csoport módszert, mely alkalmas az áram spontán időbeli fluktuációjának meghatározására – ezt a módszert szeretnénk továbbfejleszteni. A másik fő irányvonalunk a kísérleti csoport által is vizsgált hibrid szupravezető kvantumpötty rendszerek tanulmányozása kvantumtérelméleti módszerek segítségével és a kísérleti csoport által vizsgált „entangler” tulajdonságainak megértése. 

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

Kapcsolódó saját publikációk listája

---

5 kiemelt publikáció az elmúlt 5 évből, valamint az azt megelőző időszak 5 kiemelt publikációja

    

       L. Hofstetter, S. Csonka, J. Nygard, C. Schonenberger

        Cooper pair splitter realized in a two-quantum-dot Y-junction
        Nature,  461, 960 (2009).  

       

        B. Dóra és F. Simon

        Electron-spin dynamics in strongly correlated metals
        Phys. Rev. Lett. 102, 137001 (2009).

        

        A. Halbritter, P. Makk, Sz. Csonka és  G. Mihály

        Phys. Rev. B 77, 075402 (2008).

        

        A. Geresdi, A. Halbritter, M. Csontos, Sz. Csonka, G. Mihály,

        T. Wojtowicz, X. Liu, B. Jankó, J. K. Furdyna

        Phys. Rev. B 77,  233304 (2008).

    

       Sz. Csonka, A. Halbritter és G. Mihály
       Pulling gold nanowires with a hydrogen clamp
         Phys. Rev. B 73, 075405 (2006).

     

        F. Simon, H. Kuzmany, B. Náfrádi, T. Fehér, L. Forró, F. Fülöp, A. Jánossy,

        L. Korecz, A. Rockenbauer, F. Hauk és A. Hirsch
        Magnetic Fullerenes inside Single-Wall Carbon Nanotubes
        

        Phys. Rev. Lett. 97, 136801(2006).

  

        

        Sz. Csonka, A. Halbritter, G. Mihály, 
        O.I. Shklyarevskii, S. Speller és H. van Kempen 
        Conductance of Pd-H nanojunctions
        Phys. Rev. Lett. 93, 016802 (2004).

    

       G. Zarand, L. Borda, Jan von Delft, N. Andrei 

       Theory of inelastic cattering from magnetic impurities

        Phys. Rev. Lett. 93, 107204 (2004)

        

        A. Halbritter, L. Borda és A. Zawadowski
        Slow Two-Level Systems in Metallic Point Contacts
        Advances in Physics 53, 939-1010 (2004).

---

5 kiemelt disszertáció az elmúlt 5 évből, valamint az azt megelőző időszak 5 kiemelt értekezése

 

Csonka Szabolcs (PhD, 2006)

Electron transport in atomic and molecular junctions

 

Csontos Miklós (PhD, 2007)

High pressure magnetotransport study of (III,Mn)V dilute magnetic semiconductors

Demkó László (PhD, 2010)

Korrelált d-elektronrendszerek mágneses fázisdiagramja

Geresdi Attila (MSc, 2007)

Töltéshordozók spin-polarizációja mágneses félvezetőkben

 

Gyenis András (MSc, 2010)

Rezisztív memória-effektusok atomi és mezoszkópikus kontaktusokban

 

Halbritter András (PhD, 2003)

Investigation of atomic-sized conductors with the mechanically controllable break junction technique

 

Kézsmárki István (PhD, 2003)

Phase diagram of a correlated d-electron system: experimental study of BaVS3

                              

Dóra Balázs (PhD, 2002)

Unconventional density waves

Simon Ferenc (PhD, 2002)
Erősen korrelált elektronrendszerek vizsgálata mágneses rezonancia módszerrel

Zaránd Gergely (PhD, 1995)
Renormalization group study of the low temperature behavior of two level systems.

 

Résztvevők bemutatása: