Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 9 – vyšlo 28. února, ročník 12 (2014) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

9/2014

Helikální struktury v nanovodičích?

Petr Kulhánek

Na velkých měřítcích vytváří elektromagnetická interakce typické helikálníHelicita – točivost, šroubovitost vektorového pole. Pro pole A je hustota helicity definována jako A·rotA. (šroubovicové) struktury. Je to dáno tím, že magnetické pole má minimální energii, pokud jsou jeho siločáry stočeny do šroubovic a elektrický proud teče podél nich. Má-li plazmaPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. dostatek času, zaujmou plazmová vlákna v něm vždy tento tvar. Helikální vlákna byla pozorována v laboratorním plazmatu (na centimetrové škále), v ohonech kometKometa – těleso malých rozměrů obíhající kolem Slunce většinou po protažené eliptické dráze s periodou od několika let po tisíce roků. Při přiblížení ke Slunci se vypařuje část materiálu jádra a kometa vytváří komu a eventuálně ohon. Jde o pozůstatky materiálu z doby tvorby sluneční soustavy. Dnes se nacházejí v Oortově oblaku za hranicemi sluneční soustavy, ve vzdálenosti 20 000÷100 000 au. Některé komety pocházejí i z bližšího Kuiperova pásu. (tisíce kilometrů) i v galaktických mlhovinách (stovky světelných roků). Na opačném konci délkové škály bychom mohli například jmenovat helikální strukturu molekul DNADNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace.. Zdá se, že šroubovice je v přírodě důležitým stavebním prvkem. V roce 2013 byly nalezeny indicie ukazující na to, že jaderné spinySpin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole. v nanovodičíchNanovodiče – válcové vodivé prvky submikronových průměrů, tj. v desítkách či stovkách nanometrů. se mohou při nízké teplotě také stočit do šroubovice. Zatím jde jen o nepřímá pozorování, přímá detekce šroubovicové struktury spinů je otázkou právě prováděného výzkumu. Pokud se jev potvrdí, půjde o přímý důkaz hypotézy švýcarského fyzika Daniela Losse z roku 2009, podle které by se měly spiny v nanovodičích při dostatečně nízké teplotě uspořádat do tvaru šroubovice.

Mlhovina Dvojšroubovice se nachází v souhvězdí Hadonoše, pouhých 300 ly od obří černé díry sídlící ve středu naší Galaxie. Fotografie byla pořízena v infračerveném oboru spektra Spitzerovým vesmírným dalekohledem. Snímek je v nepravých barvách. Napravo je umělecké ztvárnění fyzikální reality, vlákny teče proud, který generuje magnetické pole. Zdroj: NASA/JPL-Caltech/M. Morris (UCLA), obrázek napravo nakreslil Ivan Havlíček.

Spin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole. Nanovodiče – válcové vodivé prvky submikronových průměrů, tj. v desítkách či stovkách nanometrů. Plazmon – kvazičástice (kvantum) podélných oscilací elektronového plynu v pevných látkách (v krystalové mříži kovů, v nekovech, v plastech). Například v kovech je možné vybudit oscilace plazmatu jako kolektivní excitace plynu vodivostních elektronů na pozadí kationtů krystalové mříže. Odražené či prošlé elektrony nebo fotony interagující s plazmony vykazují ztráty energie rovné celistvým násobkům energie plazmonu. Vytváření plazmonů (ve většině materiálů o energii 10÷20 eV) vede k energetickým ztrátám, které se projeví ve formě tzv. Ferrelova záření (objeveno v roce 1960) v UV nebo vizuálním oboru. Helicita – točivost, šroubovitost vektorového pole. Pro pole A je hustota helicity definována jako A·rotA.

Lossův model

V roce 2009 publikovala švýcarsko-francouzská skupina vědců pod vedením Daniela Losse z Basilejské univerzity model jednorozměrného nanovodiče, podle kterého by se za milikelvinových teplot měly jaderné spiny seřadit do tvaru šroubovice. Model by měl být vhodný pro uhlíkové nanotrubičky vybudované z ¹³C a pro nanovodiče založené na galiumarsenidu. V takových systémech se elektrony chovají jako tzv. Tomonagova-Luttingerova kapalina, kterou se mohou šířit spinové a nábojové vlny, jejichž excitacemi jsou kvazičástice nazývané plazmonyPlazmon – kvazičástice (kvantum) podélných oscilací elektronového plynu v pevných látkách (v krystalové mříži kovů, v nekovech, v plastech). Například v kovech je možné vybudit oscilace plazmatu jako kolektivní excitace plynu vodivostních elektronů na pozadí kationtů krystalové mříže. Odražené či prošlé elektrony nebo fotony interagující s plazmony vykazují ztráty energie rovné celistvým násobkům energie plazmonu. Vytváření plazmonů (ve většině materiálů o energii 10÷20 eV) vede k energetickým ztrátám, které se projeví ve formě tzv. Ferrelova záření (objeveno v roce 1960) v UV nebo vizuálním oboru.. Loss se spolupracovníky ukázal, že by v milikelvinové oblasti mělo dojít k fázovému přechodu, při němž se jaderné spiny uspořádají do šroubovice. Interakce spinu vodivostního elektronu s jaderným spinem je slabá, elektrony budou na uspořádání jaderných spinů reagovat jako celek a vytvoří spinovou vlnu sledující šroubovici jaderných spinů. V normálním lineárním nanovodiči je za nízkých teplot vodivost kvantovaná, základním kvantem je 2e²/h, koeficient 2 je dán dvěma možnými orientacemi spinu elektronu. Podle výpočtů by po fázovém přechodu do šroubovicového uspořádání měla vodivost poklesnout na polovinu hodnoty základního kvanta, tj. na e²/h. Takový atypický pokles vodivosti by měl být základní indicií pro dosažení šroubovice spinů v nanovodiči.

Galiumarsenidový kvantový vodič. Červenými šipkami jsou označené jaderné spiny. V řezech nanovodičem mají spiny shodnou orientaci (jako ve feromagnetikuFeromagnetikum – materiál, ve kterém je energeticky výhodné, aby sousední magnetické momenty měly shodný směr. Tyto látky, například železo, jsou schopné značné magnetizace ve vnějším magnetickém poli. Po odstranění magnetického pole si ponechávají permanentní magnetizaci, tj. zůstávají zmagnetizované i bez vnějšího magnetického pole. Typickým příkladem je krystalické železo, kobalt či oxid chromičitý CrO₂.). Podél vodiče se spiny stáčí a vytvářejí šroubovici naznačenou modře. Taková konfigurace by se podle výpočtů měla objevit v milikelvinové oblasti. Zdroj: [1].

Basilejský experiment

Klíčová měření provedla skupina švýcarských a amerických vědců z Basilejské univerzity, Harvardu a Princetonu pod vedením Dominika Zumbühla. Vodivost měřili v konfiguraci dvou paralelních vodičů, horní vodič (UW, Upper Wire) byl plošný (tvořený dvourozměrným elektronovým plynem) a dolní vodič (LW, Lower Wire) lineární. Vazba mezi oběma vodiči byla minimální, takže je bylo možné považovat za paralelně zapojené rezistory. Měření bylo možné provádět mezi elektrodami S a D (na následujícím obrázku) v závislosti na napětí přivedeném na elektrodu G. Při teplotách nad 10 kelvinů vykazoval nanovodič standardní vlastnosti s kvantovými skoky vodivosti rovnými 2e²/h. Při teplotách pod 0,1 K poklesla vodivost na hodnotu e²/h, která je polovinou kvantového skoku přesně dle Lossova modelu. Autoři experimentu zkoumali teplotní závislost vodivosti a zjistili, že hodnota vodivosti e²/h se nemění v širokém rozsahu teplot i hluboko pod 0,1 K. Vodivost je také nezávislá na aplikovaném magnetickém poli až do hodnot několik tesla. Všechna tato měření jsou konzistentní s tím, že v nanovodiči došlo ke vzniku nové fáze, ve které se jaderné spiny formovaly do šroubovice. Žádný jiný známý model není schopen tato měření vysvětlit. Prováděná měření jsou ale jen nepřímými indiciemi ve prospěch přípravy nové fáze kvantového nanovodiče. Proto v Basileji připravují další experimenty, při kterých by přímo měřili orientaci jednotlivých spinů a dokázali tak, že nové fáze hmoty bylo v jejich experimentu skutečně dosaženo.

Závislost vodivosti vzorku na napětí na elektrodě G a na teplotě. Vodivost postupně
klesá až k hodnotě e²/h v milikelvinové oblasti. Zdroj [2].

Závislost vodivosti vzorku na napětí na elektrodě G a na magnetickém poli. V oblasti
anomální vodivosti není žádná závislost na magnetickém poli patrná. Zdroj [2].

Klip týdne

Na videu vidíte záběry růstu křemíkových nanovodičů pořízené elektronovým transmisním mikroskopem. Nanovodiče rostou z částeček zlata sloužících jako katalyzátor. Tmavé útvary jsou částice zlata. Vše probíhá v disilanu (plyn podobný etanu, s chemickým složením Si₂H₆), Částice zlata se působením disilanu stávají kapalinou, ze které vyrůstá krystal křemíku. Krystal neustále roste, disilan zajišťuje přínos křemíku do kapičky zlata, ze které se krystal tvoří. Příčný rozměr krystalu je omezen velikostí kapky zlata, proto postupně vzniká lineární útvar – nanotrubička křemíku. Zdroj: S. Hofmann: Nature Materials 7 (2008) 372. (mp4/H264, 17 MB)

Odkazy