I den klassiska beskrivningen av fysiken brukar man antingen behandla saker som partiklar, typ kanonkulor och basketbollar, eller som vågor exempelvis ljud och ljus. Runt omkring oss har vi många saker som beter sig antingen som partiklar eller vågor, och vi har därför lätt att associera och förstå beteendet hos tex basketbollar och ljudvågor. Inom kvantfysiken, som beskriver mycket små objekt, får vi lära oss att betrakta dessa objekt ibland som partiklar och ibland som vågor. Om det vi ser fungerar som en partikel eller som en våg kan dessutom bero på hur vi tittar eller mäter på dessa kvantsystem. Detta är oftast betydligt svårare att förstå eftersom vi inte är uppväxta med kvantmekaniska leksaker som till exempel elektroner. Matematiskt beskrivs ett kvantobjekt av en komplex vågfunktion med amplitud och fas. För att förstå kvantfysiken har man länge studerat atomer och elementarpartiklar och låtit dem växelverka med varandra och med ljus eller annan strålning. I stor utsträckning har man varit hänvisad till de system eller atomer som finns i naturen.
Med modern teknik kan man göra mycket små komponenter. Inom s k mesoskopisk fysik har man de sista 20 åren kunnat tillverka komponenter som är ett par mikrometer (tusendels millimeter) eller mindre och där kunnat studera kvantfysiken hos t ex elektroner. Ett mål med forskningen är att förstå och beskriva laddningstransport i mycket små metalliska, halvledande eller supraledande system. Supraledare utgör ett intressant specialfall eftersom alla elektronerna i en supraledare kan beskrivas med en enda vågfunktion och därmed med en enda fas. Dessutom parar elektronerna ihop sig till sk Cooper-par i en supraledare. Eftersom man kan utforma systemen själv behöver man inte längre nöja sig med vad naturen ger, utan kan skräddarsy komponenter för att studera fysikaliska effekter på ett visst sätt. Man kan också utnyttja kvantfysiken till att göra nya elektronik-komponenter som fungerar på ett annorlunda och ibland mycket bättre sätt än vanliga klassiska komponenter, det som kallas kvantelektronik. I dessa mycket små komponenter kan man dessutom studera de begränsningar som dagens mikroelektronik kommer att stöta på, allteftersom komponenterna görs mindre och mindre.
Vid Svenska Nanometer Laboratoriet på Chalmers tillverkar vi med hjälp av elektronstrålelitografi, komponenter med storlekar ned till några hundradelar av en mikrometer, eller ungefär hundra atomer i bredd. För att kunna observera kvanteffekter i dessa komponenter måste alla andra ”störande” energier vara små. Temperaturen till exempel ger upphov till ett termiskt brus och måste vara mycket låg, normalt testas dessa mesoskopiska komponenter vid temperaturer nära den absoluta nollpunkten. Här följer några exempel på experiment man kan göra med den här typen av komponenter.
En del av den mesoskopiska fysiken utgörs av så kallad enelektronik, där man studerar hur enstaka elektroner eller Cooper-par hoppar eller ”tunnlar” mellan två metaller genom ett tunt oxidskikt. Man kan tillverka sådana så kallade tunnelövergångar med extremt liten yta, det får plats 50000 av dessa tunnelövergångar på tvärsnittsytan av ett hårstrå. Om man lägger en enda elektron på en så liten tunnelövergång får man en spänning som är mätbar. Detta gör att man dels kan manipulera elektronerna en och en, och dels mäta mycket små laddningsändringar.
Med en enelektron-transistor kan man också mäta laddningsändringar som är betydligt mindre än laddningen hos en elektron. En enelektrontransistor består av två små tunnelövergångar kopplade i serie och en grindelektrod kopplad via en kapacitans till metallön mellan tunnelövergångarna. Med en spänning på grinden kan man påverka laddningsfördelningen på de båda tunnelövergångarna och därigenom ändra strömmen genom de två tunnelövergångarna. Laddningsändringar som motsvarar en tiotusendel av en elektronladdning kan detekteras.
Ett exempel på hur man kan manipulera elektroner är det så kallade elektron-vändkorset. Före rulltrappan på väg ner till tunnelbanan, finns det vändkors som ska se till att bara en person åt gången går förbi, och att ingen går åt fel håll. Med fyra eller flera tunnelövergångar kopplade i serie och en grind-elektrod kopplad via en kapacitans till elektroden eller elektroderna i mitten, kan man göra ett vändkors för elektroner. Om man lägger på en växelspänning på grindelektroden får man en ström genom elektron-vändkorset som består av enstaka elektroner, en elektron per period av växelspänningen.
Ett annat exempel på en komponent som baseras på enelektrontunnling är den så kallade kvantströmspegeln där mycket små strömmar kan jämföras elektron för elektron. Proven består av två rutmönster av mycket små tunnelövergångar som är galvaniskt isolerade men kapacitivt kopplade. Strömmen i ett rutmönster växelverkar med strömmen i det andra rutmönstret så att man får två strömmar som är exakt lika stora men motsatt riktade.
I en annan typ av experiment studerar man kombinationer av mycket små normalledande och supraledande metaller. Om den normalledande delen är tillräckligt liten kan elektronerna behålla sin ”kvantmekaniska fas” även om de kolliderar med defekter i metallen på sin väg genom provet. Dessutom kan en elektron som träffar en supraledande gränsyta utbyta fasinformation med supraledaren. Om man placerar två supraledare tillräckligt nära varandra med en normal metall emellan kan resistansen hos den normala metallen påverkas genom att ändra fasskillnaden mellan supraledarna. Omvänt kan man genom att mäta en klassisk storhet som resistans få information om den kvantmekaniska fasskillnaden mellan supraledarna.
(Texten publicerades 1997 i skriften Ny kunskap.)
Strömspännings(IV)karakteristiken för ett elektronvändkors med (röd kurva) och utan (blå kurva) växelspänning till grindelektroden. Elektron-vändkorset betår av 25 tunnelövergångar. En växelspänning tvingar igenom 23,5 miljoner elektroner per sekund genom vändkorset. Detta ger platåer i IV-kurvan.
En elektronmikroskopibild av två rutmönster av mycket små tunnelövergångar. Rutmönstren är galvaniskt åtskilda men kapacitivt kopplade. Vid låg temperatur kan man få strömmarna i de två rutmönstren att koppla till varandra så att de blir exakt lika stora men motsatt riktade. (Se även omslagsbilden.)
Elektronmikroskopibild av en kort normalledande metall (ljusa delar) kopplad till två supraledande elektroder(grå delar) i en kors-konfiguration. Genom att variera fasskillnaden mellan supraledarna kan resistansen hos den normala metallen varieras med upp till 10%.