Előfizetés a lapra

Nanopecsételés, arany háttér előtt

A hét kutatója, élettelen, grafén, interjú, kristály, kvantumszámítógép, MTA Energiatudományi Kutatóközpont

2019/02/18

Nemes-Incze Péter fizikus a Magyar Tudományos Akadémia Energiatudományi Kutatóközpontban alapított nemrégiben Lendület-kutatócsoportot. Céljuk olyan mesterséges kristályok építése egyetlen atom vékony, kétdimenziós rétegekből, amelyek fizikai tulajdonságait ők irányíthatják. Segítségükkel megvalósulhat a szobahőmérsékleten is ellenállásmentesen vezető anyag, de a kvantumkomputerek is új erőre kaphatnak.

– Menjünk vissza az időben nyolc évet, amikor Junior Prima-díjat nyert! Akkoriban főként grafénnel foglalkozott. A mai érdeklődése mennyire távolodott el akkori kutatásaitól?

– Én akkor doktoranduszként a kutatócsoport többi tagjával együtt a grafén minél pontosabb megmunkálhatóságát, alakíthatóságát kutattam. Az efféle kétdimenziós, egy atom vastag anyagokban az az izgalmas, hogy bennük az elektronok egy síkban helyezkednek el. Tudnunk kell, hogy az anyagok fizikai tulajdonságait többnyire az határozza meg, hogyan mozognak benne az elektronok. Az elektromos vezetőképességtől kezdve az átlátszóságig és a színig minden az elektronok mozgásától függ. A köznapi anyagok azonban három (térbeli) kiterjedéssel rendelkeznek. Ezzel szemben igen jelentősen megváltoznak a viszonyok, ha ugyanezeket a jelenségeket síkban vizsgáljuk.

– Hogyan változik két dimenzióban az elektronok viselkedése?

– Például a grafénnél (amely a grafitkristály egy atomnyi vastagságú rétege) az elektronok kollektíven úgy viselkednek, mintha tömeg nélküli részecskék, például fotonok lennének. Ez pedig rettentő furcsa. A tömeg nélküli részecskék fénysebességgel terjednek. A grafénban nem fénysebességgel mozognak az elektronok, hanem ennél körülbelül 300-szor lassabban, úgynevezett Fermi-sebességgel, de ez is nagyon gyors. Emiatt viszonylag ritkán ütköznek és nem igazán szóródnak, így a grafén elektromos ellenállása meglehetősen kicsi. Ezért az anyag potenciális alkalmazási lehetőségei között az elektronika is szóba jön. Tehát két dimenzióban drasztikusan megváltozik az elektronok viselkedése. A mi kutatócsoportunk ebből kiindulva igyekszik személyre szabni az elektronok mozgását, és ezáltal az anyag tulajdonságait. Ez az álom, e felé tartunk.

– Hogyan lehet atomi léptékben térbeli struktúrákat építeni?

– Első lépésként például kivágunk egy néhány tíz nanométeres szélességű szalagot a grafénből, ezáltal a benne lévő elektronokat újabb irányból zárjuk be, tovább korlátozzuk a mozgásukat. Így lehet játszani az elektronok viselkedésével. Ha pedig megértjük e rendszerek fizikáját, akkor már az előállításkor meghatározhatjuk a születő nanoszerkezet jellemzőinek széles skáláját, a vezetőképesség és az optikai jelleg csak a kezdet. A fő kihívás az, hogy e nanoszerkezeteket közel atomi pontossággal tudjuk előállítani. Ezen a területen, a már meglévő, kétdimenziós kristályok további nanostrukturálásában jelentős előrelépést sikerült elérnünk.

Grafén – pásztázó alagútmikroszkópos felvétel

– A grafén egyedülálló kétdimenziós anyag?

– Az elmúlt években kiderült, hogy sok más, hasonló tulajdonságokkal bíró, egy vagy néhány atom vastagságú anyag létezik a grafén mellett. Ilyen például a molibdén-diszulfid, amely három atom vastag. Mára egész széles könyvtára épült ezen anyagoknak, számuk potenciálisan ezres nagyságrendű. Elektronjaik mozgása (valamint ezáltal fizikai tulajdonságaik) pedig nekik is merőben eltérnek több réteg vastag megfelelőikétől. Ezen anyagok között vannak elektromos szigetelők, vezetők, félvezetők és szupravezetők is, amelyek alacsony hőmérsékleten az elektromos áramot ellenállás nélkül vezetik. Ha képesek lennénk ezeket a síkbeli anyagokat úgy egymásra rétegezni, hogy elektronjaik egymás viselkedését befolyásolják, és megértenénk a közöttük létrejövő kölcsönhatás fizikáját, akkor atomi rétegenként tudnánk mesterséges kristályokat létrehozni. Mi tehát az alapvető fizikai törvényszerűségeket próbáljuk megérteni, amely elengedhetetlenül szükséges a későbbi gyakorlati alkalmazáshoz. Jelenleg „pecsételős” módszerrel helyezünk egymásra kétdimenziós anyagokat, és ezek tulajdonságait vizsgáljuk atomi skálán.

– Hogyan tudják a gyakorlatban atomi léptékben tanulmányozni a létrehozott struktúrákat?

– Fő eszközünk a pásztázó alagútmikroszkóp, ennek segítségével tényleg nanométeres skálán tudjuk az elektronszerkezetet vizsgálni. Egyébként attól, hogy ezen anyagok vastagsága néhány ?ngström (10-10 méter), oldalirányú kiterjedésük tíz-száz mikrométer is lehet. Sőt nemrégiben az egyik diákomnak a diplomamunkája keretében sikerült készítenie milliméteres nagyságú kétdimenziós molibdén-diszulfid kristályokat. Ezek már optikai mikroszkópban is jól láthatók. Hiába csak néhány atom a vastagságuk, kölcsönhatnak a látható fénnyel, és szemmel is elkülöníthetők a háttérül szolgáló aranyfelülettől. Ez igaz a grafénre és a molibdén-diszulfidra is, és a fénnyel való kölcsönhatás (és így a látható szín) erőssége meglepő. A grafén például egy atomnyi vastagsága ellenére a ráeső fény 2,3 százalékát elnyeli.

Grafén bór-nitrid kristályon

– Az Ön kutatócsoportja jelenleg az úgynevezett topologikus szigetelőket kutatja legintenzívebben. Miben különböznek ezek a hagyományos szigetelőktől?

– A topológia önmagában – és így a topologikus szigetelők is – nagyon fiatal tudományterület (2016-ban osztottak Nobel-díjat érte), viszont gyorsan fejlődik. Korábban azt hihettük, hogy szinte teljesen értjük a szilárd testek kristályszerkezetének fizikáját, de a topológia egy merőben új szempontot hozott a kutatásba. Itt lényegében egy mértani fogalomról van szó, amely aszerint kategorizálja a tárgyakat, hogy enyhe deformáció segítségével átalakíthatók-e egymásba. Képzeljünk el például egy gyurmából készült tóruszt (lyukas fánkszerű testet – a szerk.), amit addig nyomogatunk, míg kávéscsészét képzünk belőle. Azt mondjuk, hogy a tórusz és a kávéscsésze topológiailag egyenértékű, mivel enyhe deformáció során az egyiket a másikba lehet alakítani. Ugyanakkor ha letépem a kávéscsésze fülét, akkor a keletkezett alakzat már egy gömbbel egyenértékű, hiszen a drasztikus beavatkozás miatt megváltozott a mértani alakzatomon a lyukak száma, konkrétan nulla lett. Hasonló topológiai fogalmak segítségével kristályrácsokban található elektronok viselkedését is jellemezhetjük. Ily módon az anyagokat topologikusakra és nem topologikusakra oszthatjuk.

– Hogyan hat a topológia a fizikai tulajdonságokra?

– A topologikus szigetelők olyan anyagok, amelyek a belsejükben ugyan nem vezetik az áramot, de a topologikus tulajdonságoknak köszönhetően a felületükön garantáltan kialakulnak vezető állapotok. Számunkra azért érdekesek ezek, mert a kétdimenziós anyagok között is rengeteg potenciálisan topologikus példát találhatunk. Ezek feltárását és topologikus elektronrendszereik vizsgálatát tűztük ki célul. Azáltal, hogy mesterséges térbeli kristályokat építünk, akár topologikus szigetelőket is előállíthatunk.

A különböző kétdimenziós anyagok egymásra rétegzése nagy kihívás

– Noha említette, hogy munkájuk jórészt alapkutatás jellegű, mégsem lehet megúszni a kérdést, hogy mindezek a felfedezések milyen eszközökben ölthetnek testet a jövőben.

– A topologikus szigetelők kutatása nagyon szorosan kapcsolódik korunk talán legizgalmasabb fizikai problémáihoz, jelesül a szobahőmérsékleten megvalósítható ellenállásmentes vezetéshez, illetve a kvantumszámítógépek megalkotásához. Eddig a legtöbb topologikus szigetelő különleges tulajdonságai csak nagyon alacsony hőmérsékleten, nagyjából harminc millikelvinen voltak vizsgálhatók. De ezek a tulajdonságok valóban lenyűgözők, például hogy az anyagok felülete mentén való elektromos vezetés ellenállása fix, és nem függ a távolságtól (tehát itt az ellenállásmentesség valójában kötött, a mérettől független ellenállást jelent). Így igen csábító gondolat, és éppen ezen dolgozunk, hogy olyan topologikus szigetelőket állítsunk elő, amelyek szobahőmérsékleten is mutatják e különleges tulajdonságokat. Továbbá könnyen elképzelhető, hogy egy „nanoollóval” utakat vághatunk majd a topologikus szigetelők felületébe. Minthogy ezen utak mentén matematikai szükségszerűségből mindenütt kialakulnának a vezető állapotok, ezáltal nagyon egyszerűen alkothatnánk nanoméretű áramköröket.

M. CS.

 

2018/22