Wallenberg Academy Fellows

Ny kunskap om kvantmekanik ska bygga framtidens elektronik

Elektroniken blir mer och mer kraftfull samtidigt som apparaterna krymper. Men snart når vi en gräns. När skalan blir tillräckligt liten slutar den klassiska fysikens lagar att gälla – kvantmekaniska effekter uppstår. Janine Splettstößer vill hitta sätt att kontrollera dem. När det lyckas kan vi bygga elektronik kring enstaka elektroner.

Transistorer, styrbara strömkällor, är grunden för all modern elektronik. Ju fler transistorer, desto snabbare dataöverföring och fler användningsmöjligheter. I dag är transistorerna så små att en enda hårddisk eller mobiltelefon kan innehålla en miljard av dem.

Men snart har de elektroniska komponenterna krympt så att de består av bara ett fåtal atomer eller elektroner. Då händer märkliga saker. Så kallade kvantmekaniska fenomen uppstår, som inte kan förklaras med klassisk fysik.

– Min forskning handlar om elektroniska kretsar i nanoskala. Särskilt intressant blir det när den klassiska fysiken kollapsar, säger Janine Splettstößer vid Chalmers avdelning för tillämpad kvantfysik.

Kvantdatorer blir mycket mer kraftfulla

När kvantmekaniska effekter uppträder i små system, så kan elektroner bara existera på vissa energinivåer, i vissa ”kvantiserade tillstånd”. Det ger elektronerna egenskaper som stora föremål saknar. En elektron kan också bete sig både som en partikel och som en våg, den kan synbart befinna sig på två ställen samtidigt och den verkar kunna stå i kontakt med andra partiklar på avstånd. Att elektronerna kan ha flera tillstånd samtidigt kallas för superposition, eller överlagring.

Medan dagens datorer lagrar och överför information i form av spänningsförändringar som omvandlas till ettor och nollor, skulle i framtiden enstaka elektroner bära informationen i datorerna.

– Klassiska datorer fungerar ju väldigt bra, men de har sina begränsningar. De bygger på lägena ”på” och ”av”. En kvantdator skulle dessutom ha superpositioner av de lägena, vilket gör beräkningskraften mycket större. Det är vore en stor fördel att kunna kontrollera enskilda elektroner vid byggandet, säger Janine Splettstößer.

Mer kunskap krävs för att styra effekterna

I viss utsträckning går det redan att i experiment styra det som händer i ett kvantmekaniskt system, med hjälp av elektriska och magnetiska fält, ljus och genom valet av material. Men det krävs mycket mer kunskap innan vi kan styra elektronerna tillräckligt bra för att använda dem en och en i vår elektronik. Janine Splettstößer söker inte den kunskapen främst genom experiment – hon är teoretiker och arbetar med modellsystem, matematiska beräkningar av det som händer.

”Att bli utsedd till Wallenberg Academy Fellow har gjort att jag genast kan börja bygga upp min egen forskargrupp. Dessutom gör det mitt arbete mer synligt för andra och det är väldigt viktigt, inte minst för mig som är ny i Sverige.”

Men projektet hon driver som Wallenberg Academy Fellow omfattar inte bara hennes eget teoretiska arbete och metodutveckling utan också praktiska experiment som hennes kollegor genomför. Forskningen fokuserar främst på hur fort de kvantmekaniska effekterna sker. Nyligen har man också börjat arbeta med termoelektricitet, vars idé är att elektroniska system skulle kunna omvandla värme till elektricitet.

Tycker om felen

Janine Splettstößer är utbildad i Tyskland och har forskat såväl där som vid universitet i Italien och Schweiz. I slutet av 2013 kom hon till Chalmers tekniska högskola som Wallenberg Academy Fellow för att bygga upp en egen forskargrupp där.

Nyligen publicerade hon en vetenskaplig artikel tillsammans med en fransk forskargrupp som utför praktiska kvantmekaniska experiment. De har bland annat konstruerat en så kallad elektronpump och ett system av kisel och fosfor, där de i praktiken har lyckats kontrollera enstaka elektroners rörelse.

– Systemet kan till stor del förklaras med klassisk fysik, men så uppstår det fel, saker som inte fungerar. De felen tycker vi mycket om! När något går fel kan man lära sig saker, bland annat kunde vi använda ”felen” till att studera hur fort systemet svarade på påverkan utifrån. Vi ser det snarare som intressanta egenskaper än som problem.

Tycker om närheten till experimenten

Fler sådana samarbeten lär det bli vid Chalmers, som har toppmoderna renrum för tillverkning av avancerad elektronik i mycket liten skala. Janine Splettstößer är förtjust över närheten till experimentella fysiker.

– När jag studerar de här kvantmekaniska effekterna kommer resultatet inte bara begravas på mitt skrivbord utan jag kan prata med experimentalisterna direkt. Jag kan fråga om det jag gör verkar relevant för deras mätningar, och de kan komma till mig med sina mätdata: ”Förstår du varför jag får de här märkliga topparna och dalarna…?” Det tycker jag är otroligt spännande. Det här är verkligen forskning i den absoluta frontlinjen.

Text Lisa Kirsebom
Bild Magnus Bergström