I dag kan kondenserade materie-fysiker tillverka material som innehåller ”vändkors” för elektroner, så att vi kan räkna dem en och en när de strömmar fram. Detta är på väg att leda till en tekniskt viktig normal för Ampère, enheten för strömstyrka. I andra ”konstgjorda” material leder elektronens vågnatur till att en ström av elektroner rör sig genom en ledare i olika moder på samma sätt som ljus genom en vågledare. Varje mod bidrar med ett bestämt kvantum till den totala strömmen, som kan ändras stegvis genom inverkan av elektriska
eller magnetiska fält.
Ovanstående glimtar från aktuell forskning är hämtade från ett nytt delområde av den kondenserade materiens fysik – mesoskopisk fysik – som är under snabb utveckling sedan ett tiotal år. Innan vi berättar mer om detta är det emellertid på sin plats att beskriva ämnet i ett större perspektiv.
Den kondenserade materiens fysik är sedan länge ett väletablerat grundvetenskapligt område. Samtidigt är det ett av fysikens mest tvärvetenskapliga och teknikgrundande områden. Det karakteriseras av en stor mängd elektriska, magnetiska, optiska och andra fenomen. Denna rikedom är betingad av den mängd frihetsgrader som finns i kondenserad materia; typiskt innehåller ett prov lika många partiklar som det finns stjärnor i 100 miljarder galaxer av Vintergatans typ.
Vid Chalmers nanometerlaboratorium tillverkas ultrasmå tunnelövergångar av mesoskopisk typ, se figur. Strömmen genom 25 seriekopplade sådana tunnelövergångar är nästan noll på grund av stark repulsiv växelverkan mellan elektronerna, sk Coulomb-blockering. När systemet utsätts för mikrovågsbestrålning hävs blockeringen - tunnelövergångarna fungerar som vändkors för elektronerna - och strömmen ökar stegvis, se diagrammet.
Steghöjden är lika med elektronens elementarladdning multiplicerad med strålningsfrekvensen. En högintressant tillämpning är som en normal för elektrisk strömstyrka. En del av Mats Jonsons forskning går ut på att teoretiskt beskriva denna typ av system. Mätresultat och illustrationer Per Delsing.
Den kondenserade materiens fysik har efter andra världskriget vidgat sina gränser i ett allt mer accelerande tempo. Konsten att framställa material med noggrant definierad sammansättning har varit en grundläggande förutsättning för denna process. Ett exempel är framställningen av ordnade kristaller av germanium och kisel med noggrant kontrollerad dopning av andra atomslag. Dessa material var en förutsättning för halvledarteknikens utveckling. Lika viktig har utvecklingen av ny experimentell teknik med hög upplösning i rum, tid och energi varit. I dag kan vi till exempel med hjälp av ett sveptunnelmikroskop manipulera enskilda atomer på en metallyta, låta dem bilda en ring med mindre än tio nanometers diameter, och sedan med hjälp av samma instrument i detalj mäta hur dessa atomer påverkar elektrontätheten vid ytan. En tredje utomordentligt viktig roll har de nya teoretiska modeller och kraftfulla begrepp, som tagits fram, spelat. Växelspelet mellan teknologiska, experimentella och teoretiska framsteg har med andra ord varit avgörande för den utveckling vi sett och för vad vi även fortsättningsvis kan se fram emot.
Som antytts är den kondenserade materiens fysik ett mycket vitt forskningsfält. Låt oss återvända till det delområde som blivit känt som mesoskopisk fysik; den tekniska utvecklingen har gjort det möjligt att tex vid Chalmers nanometerlaboratorium framställa elektroniska halvledar-komponenter och metalliska tunnlingskomponenter vars aktiva delar bara är några tiotals nanometer stora. ”Nano” är grekiska för dvärg; man talar om nanostrukturer eller mesoskopiska system.
Drivkraften i denna utveckling mot mindre storlekar är naturligtvis förhoppningen att hitta snabbare och mindre komponenter med fler logiska funktioner än vad vi har i dag. Det roliga med denna utveckling för en fysiker är att helt nya fenomen uppträder, som man inte kunde vänta sig genom att bara ”skala ner” vad man visste om vanliga komponenter. Nya längd- och energiskalor blir relevanta för mesoskopiska system, som dessutom ofta har en låg dimensionalitet – elektronerna kan bara röra sig i en eller två dimensioner. Detta ger upphov till materialegenskaper som drastiskt skiljer sig från bulkmaterialens.
Mesoskopiska system har blivit ett laboratorium där en mängd fenomen av fundamental fysikalisk betydelse kan studeras. Aktuell forskning rör bla egenskaper hos starkt korrelerade elektronsystem, supraledning, optiska- och magnetiska egenskaper. Samtidigt är det många som tror att i denna forskning ett embryo finns för framtidens elektronik.
(Texten publicerades 1993 i skriften Ny kunskap.)