Morgunblaðið - 06.12.1998, Blaðsíða 22

22 SUNNUDAGUR 6. DESEMBER 1998
MORGUNBLAÐIÐ
RAFEINDIR í segulsviði sveigja af beinni braut og valda
spennu milli hliða málmþynnunnar. Spennan eykst jafnt
með sterkara segulsviði.
RAFEINDIR í tvívíðu rafeindakerfi og mjög sterku segul-
sviði eru bundnar við fastar brautir í fletinum. Hall-viðnám
sem mælist milli hliða rafeindakerfisins eykst í þrepum.
RAFEINDAHEIMUR Laughlins. Hver tvívfð rafeind hef-
ur gripið þrjá segulflæðisskammta. Hólamir tákna raf-
spennusveiflur í fletinum.
AR HVERT eru veitt
Nóbelsverðlaun fyrir
mikilvægar uppgötvanir
í vísindum, framlag til
heimsbókmennta og
störf að friðarmálum. A lista verð-
launahafa má finna nöfn á borð við
Marie Curie, Albert Einstein, Ernest
Hemingway, James Watson, Milton
Friedman og Desmond Tutu, ásamt
Halldóri Laxness sem hlaut bók-
menntaverðlaun Nóbels árið 1955,
eins og kunnugt er. Einstaklingar
sem útnefndir hafa verið til Nóbels-
verðlauna eiga það sameiginlegt að
hafa átt stóran þátt í að móta þann
heim sem við lifum í; okkar tækni-
lega, menningarlega, pólitíska og
efnahagslega umhverfi. I ár verða
Nóbelsverðlaun í eðlisfræði veitt
þremur bandarískum vísindamönn-
um, Robert B. Laughlin, Horst L.
Störmer og Daniel C. Tsui, sem
starfað hafa á sviði hálfleiðaraeðlis-
fræði og skammtafræði, íyrii- upp-
götvun þeirra á nýstárlegu fyrirbæri
sem nefnist brotaskammtahrif Halls.
Erfðaskrá Nóbels
Aifred Nóbel (1833-1896) fann upp
dínamítið, sem var öflugt sprengi-
efni en á sama tíma öruggt og
meðfærilegt og m.a. auðveldaði til
muna ýmsar byggingarframkvæmd-
ir. Eftir að hafa fengið einkaleyfi á
framleiðslu efnisins árið 1867 setti
Nóbel upp dínamítverksmiðjur í
mörgum löndum og hagnaðist gífur-
lega. í erfðaskrá sinni kvað hann á
um að stofnaður skyldi sjóður sem
árlega veitti verðlaun á fímm sviðum
þeim aðilum sem gert hefðu mann-
kyninu mest gagn með framlagi sínu
árið á undan. Verðlaun úr sjóðnum
ætti að veita fyrir mikilvægastar
uppgötvanir í eðlisfræði, efnafræði
og læknis- eða lífeðlisfræði og að
auki fyrir framúrskarandi bók-
menntaverk og störf í þágu heims-
friðar. Með fáum undantekningum
hafa Nóbelsverðlaun á þessum fimm
sviðum verið veitt árlega frá 1901.
Að auki eru nú einnig veitt Nóbels-
verðlaun í hagfræði úr minningar-
sjóði um Alfred Nóbel sem sænski
ríkisbankinn stofnaði árið 1968.
Verðlaunum hefur oft verið skipt
milli tveggja eða þriggja aðila og
íriðarverðlaunum hefur nokkrum
sinnum verið úthlutað til stofnana
frekar en einstaklinga.
Uppgötvun Halls
Framlag þeirra Laughlin, Stör-
mer og Tsui til eðlisfræðinnar á sér
nokkra forsögu. Segja má að hún
hefjist árið 1879 með uppgötvun
Bandaríkjamannsins Edwin H. Hall.
Hall komst að því að þegar raf-
straumur rennur í gegnum
málmþynnu sem komið er fyrir í
sterku segulsviði mælist spennu-
munur milli hægri og vinstri hliða
málmbútsins. Undir venjulegum
kringumstæðum, þegar aðeins veikt
segulsvið jarðarinnar er til staðar,
er þessi spennumunur vart mælan-
legur en hann eykst með auknu seg-
ulsviði. Spennan sem Hall mældi
stafar af þvi að rafeindir á ferð í seg-
ulsviði sveigja út af beinni braut og
safnast fyrir öðrum megin á
málmþynnunni. Með því að deila
spennunni með rafstraumnum sem
rennur eftir þynnunni má reikna
svokallað Hall-viðnám. Þetta viðnám
gefur til kynna hversu margar raf-
eindir bera strauminn í málminum.
Hall-hrifin má einnig nýta til að
mæla styrk óþekkts segulsviðs og
byggjast margir segulsviðsmælar á
þeirri tækni.
NOBELSVERÐLAUNIN I EÐLISFRÆÐI 1998
Brotaskammta-
hrif og bylgjufall
Næstkomandi fimmtudag verða hin eftir-
sóttu Nóbelsverðlaun í eðlisfræði afhent
í Stokkhólmi í 92. sinn. Koma þau í hlut
þriggja bandarískra vísindamanna sem
stundað hafa rannsóknir á hálfleiðurum.
Kristján Leósson fjallar um uppgötvun
þremenninganna, forsögu hennar, tengsl
við tölvutækni framtíðarinnar og tengdar
------------------------------------^--
eðlisfræðirannsóknir sem gerðar eru á Is-
landi við Raunvísindastofnun Háskólans.
Robert B.
Laughlin
Hálfleiðarar og
tölvutækni
Arið 1956 voru
Nóbelsverðlaunin í eðlis-
fræði veitt fyrir þá upp-
götvun sem sétt hefur
hvað mestan svip á
tækniþróun síðustu ára-
tuga; transistorinn eða
smárann. Smárinn er
grunneining tölvu- og
öirása og byggist á sér-
stökum eiginleikum svokallaðra
hálfleiðai-a. Hálfleiðarar, t.d. kísill
sem nú er notaður í flestallar örrásfr,
þóttu á fyrri hluta aldarinnar heldur
ómerkilegt rannsóknarefni og vart
brúklegir til neins. Þvert á þær spái-
hefur uppgötvun smárans fylgt ótrú-
leg bylting í rafeinda-, tölvu- og sam-
skiptatækni. Vísindarannsóknir
tengdar hálfleiðurum hafa aukist
samhliða og verið grundvöllur
margra fleiri uppgötvana á sviði eðl-
isfræðinnar. Við gerð nútíma örrása,
sem innihaldið geta tugmilljónir
smára, er nauðsynlegt að hálfleiðar-
inn sé ofurhreinn og nær fullkomlega
kristallaður. Tæknin sem þróuð hef-
ur verið til að framleiða slíka krist-
alla og prenta á þá örsmáar rafrásir
hefur undanfarna áratugi gert vís-
indamönnum kleift að rannsaka ýmis
fyrirbæri sem engin leið vai' að fá
fram i öðrum efnum.
Tvívíður heimur
Gott dæmi um nýstárleg fyrir-
bæri í hálfleiðurum eru svokölluð
tvívíð rafeindakei-fi. Slík kerfi eru
búin til úr lögum mismunandi
hálfleiðara. I tvívíðu rafeindakerfi
eru þær rafeindir sem bera raf-
strauminn í efninu þvingaðar til að
ferðast á svo örþunnum fleti að þær
geta ekki lengur fundið fyrir einni
vídd. Segja má að rafeindimar séu
frjálsar ferða sinna í efninu að öðru
leyti en því að þær komast hvorki
„upp“ né „niður“. Til þess að ná
þessu marki má svæðið sem rafeind-
Daniel C.
Tsui.
irnar ferðast í ekki vera yfír nokkr-
um tugum nanómetra að þykkt. Þess
má geta að einn nanómeter er millj-
ónasti hluti úr millímetra. I hálfleið-
aranum getur verið til staðar raf-
spenna sem dregur að sér eða hrind-
fr frá sér rafeindum. Þrátt fyrfr að
rafeindirnar séu þvingaðar til að
ferðast í tveimur víddum er oft dreg-
in upp sú mynd að þær ferðist um í
nokkurs konar ósléttu landslagi þar
sem áttirnar upp og niður tákna ekki
eiginlega vídd heldur rafstöðuorku
rafeindanna. Segja má að brekka
upp á við samsvari fráhrindikrafti en
halli niður á við tákni aðdráttarkraft
og rafeindin hefur þess vegna til-
hneigingu til að renna „niður á við“ í
landslaginu og sitja á stöðum þar
sem stöðuorka hennar er í lágmarki.
Eiginleikar tvívíðra rafeindakerfa
eru m.a. nýttir í framleiðslu
háhraðasmára og einnig í flestöllum
háifleiðaraléýsúm sem iiotaðir éru til
að senda símtöl eftir ljósleiðurum,
spila tónlist af geisladiskum o.fl. o.fl.
í þessu flatlendi rafeinda átti sér
líka stað næsti kafli atburðarásar-
innar sem leiddi til uppgötvunar
brotaskammtahrifa Halls.
Skammtahrif Halls
I upphafi níunda ái-atugarins gerði
þýski eðlisfræðingurinn Klaus von
Klitzing athuganir á tvívíðum raf-
eindum í segulsviði. I ljós kom að við
nægilega lág hitastig og nægilega
sterk segulsvið hættu rafeindimar
að hegða sér eins og í tilraun Halls
SMÁSJÁRMYND af örrás á
hálfleiðaraflögu. I miðju rásar-
innar er tvívítt rafeindakerfi.
frá því hundrað árum áður. Til að
bera færi á þessari hegðun var nauð-
synlegt að skapa segúlsvið sem var
milljón sinnum sterkara en segulsvið
jarðarinnar; tífalt sterkara en það
sem Hall notaði í sínum tilraunum.
Að auki vai’ hitastigið sem von
Klitzing notaði aðeins einni til tveim-
ur gráðum yfir alkuli. Hall-viðnámið
sem mældist við þessar aðstæður
breyttist ekki jafnt og línulega í hinu
sterka segulsviði heldur í stökkum,
þ.e.a.s. þegar segulsviðið var hækkað
gat spennan milli hliða sýnisins hald-
ist föst þar til hún stökk skyndilega
upp á næsta þrep í stiganum og hélst
þar um tíma o.s.frv. Það sem meira
var, að þessi þrep birtust ávallt við
nákvæmlega sömu viðnámsgildi,
óháð því hvaða efni var notað og hvar
í heiminum það var mælt. Hæsta
viðnámsgildið er gefið með jöfnunni
Rx = h/e2, þ.e. eingöngu ákvarðað af
tveimur náttúrulegum föstum, fasta
Plancks og hleðslu rafeindarinnar.
Lægi'i þrep í Hall-viðnámsstiganum
birtast við Rx/2, Rx/3 o.s.fl-v. Hall-
viðnámið var skammtað í hlutum af
Rx og fyrirbærið var af þessum sök-
um nefnt skammtahrif Halls. Með
þvi að endurtaka mælingar von
Klitzing hafa tilraunastofur og
staðlastofnanfr getað mælt
viðmiðunargildi fyrir rafviðnám sem
er jafn óbreytanlegt og hraði ijóssins
og hefur verið alþjóðlegur staðall frá
árinu 1990. Klaus von Klitzing hlaut
Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði 1985
og var gestur norrænu hálfleiðar-
aráðstefnunnai' sem haldin var á ís-
landi árið 1994.
Undraveröld
skammtafræðinnar
Skammtahrif Halls veita okkur
innsýn í heim rafeindanna. Sú grein
eðlisfræðinnar sem lýsir þeim
náttúrulögmálum sem þar gilda er
skammtafræðin. Skammtafræðin
var sett fram á fyrri hluta aldarinn-
ar og lögðu margir vísindamenn þar
hönd á plóginn. Þess má t.d. geta að
Albert Einstein hlaut Nóbelsverð-
laun sín fyrir framlag til skammta-
fræðinnar en ekki fyrir afstæðis-
kenninguna sem hann er e.t.v.
þekktari fyrir. Samkvæmt
skammtafræðinni þá er orka
skömmtuð; orka rafeinda í frum-
eindum er skömmtuð sem veldur því
að þær sitja á mismunandi
orkuþrepum umhverfis kjarnann,
ljós er straumur orkuskammta sem
nefnast ljóseindfr o.s.frv. Önnur
mikilvæg hugmynd innan skammta-
fræðinnar er sú að tvær rafeindfr
geta ekki verið í sama ástandi á
sama tíma. Rafeindir í frumeind
geta t.d. ekki allar sest í lægsta
orkuástand næst kjarnanum heldur
verða sumar þeiiTa að sitja á hærri
orkustígum lengi'a frá honum. Eind-
ir sem fylgja þessai-i reglu nefnast
fermíeindir. Af gagnstæðri tegund
einda eru þær sem geta setið marg-
ar í sama ástandi og nefnast
bóseindir, dæmi um slíkar eindir eru
ljóseindir. I tvívíðu rafeindalands-
lagi eru sumar rafeindir staðbundn-
ar í dældum í landslaginu en það
kallar samtímis á að aðrar hafí meiri
orku og þess vegna frelsi til að ferð-
ast langai' vegalengdir. Við lág hita-
stig eru það eingöngu þær síðar-
nefndu sem bera rafstrauminn. Seg-
ulsvið hefur áhrif á ferð rafeindanna
og sé það nægilega sterkt verður
orka þessara frjálsu rafeinda einnig
skömmtuð. Rafeindirnar eru þá
læstar á ákveðnum brautum sem
líkja mætti við rafeindahvel frum-
einda. Þessi skammtaða hreyfing
rafeindanna auk samspils staðbund-
inna og óstaðbundinna ástanda
þeirra veldur þvi að Hall-viðnámið
hækkar i skrefum með auknu segul-
sviði. Allar þessar hugmyndir voru
vel þekktar áður en von Klitzing
mældi hið skammtaða Hall-viðnám
en skömmu eftir að hann hafði bfrt
sínar niðurstöður fór þó að bera á
frávikum frá þessum kenningum
sem komu öllum að óvörum.
Brotaskammtahrif Halls
Tveimíxr árum eftir uppgötvun
skammtahrifa Halls gerðu band-
arísku eðlisfræðingarnir Horst L.
Störmer og Daniel C. Tsui mælingar
á tvívíðum rafeindakerfum í nýjum
og enn fullkomnari hálfleiðarasýnum
og í sterkara segulsviði. Að auki var
hitastigið nú aðeins nokki-um
þúsundustu hlutum úr gráðu frá al-
kuli. Þessar tæknilega erfiðu mæl-
ingar voru framkvæmdar við AT&T
Bell rannsóknarstöðina sem heyrir
nú undir samskiptatæknirisann
Lucent Technologies. Ásamt sam-
starfsmanni sínum A. Gossard, sem
framleitt hafði sýnin, birtu þeir nið-
urstöðm'nar árið 1982.1 mótsögn við
þær kenningai' sem notaðar voru til
að útskýra heiltöluskammtahrifin,
þá fundu þeir nýtt þrep í Hall-
viðnámsstiganum, þrisvar sinnum
hærra en það hæsta sem von
Klitzing hafði mælt, samsvarandi
Rx/(l/3). Innan ramma skammta-
hrifanna mátti eingöngu skýra það
með því að í rafeindakerfinu væru
agnir með hleðslu sem jafngilti
þriðjungi af grunnhleðslu rafeindar.
Við frekari mælingar fundust einnig
ný skref við önnur margfeldi af
grunnviðnáminu, t.d. Rx/(2/5) og
Rx/(3/7). Það lá beint við að gefa fyr-
frbærinu nafnið brotaskammtahrif
Halls og greina það þannig frá
heiltöluskammtahrifum von Klitz-
ing. Ljóst var að kerfið hafði ►