Forskarinsatser om tunneleffekten belönades

Taggar: Teman: nobelpriser

e Årets Nobelpris i fysik har delats mellan tre forskare, Leo Esaki, lvar Gi ae ver och Brian Josephson, vars forskningsområden hänför sig till det fasta tillståndets fysik. Vid första anblicken förefaller forskarnas insatser att inte ha mycket med varandra att göra, men Svenska Akademin har lyckats hitta en gemensam nämnare för dem: tunneleffekten.

9 För undvikande av missförstånd bör det kanske påpekas att ingen av pristagarna har upptäckt själva tunneleffekten, den framlades redan 1930 av Gamow och oberoende av honom av Condon. I stället har årets pristagare på sina specialområden undersökt fenomen som alla grundar sig på denna tunneleffekt.

Nobelprisen i fysik:

Forskarinsatser om tunneleffe

Med tunneleffekten förstår man att en partikel med en viss sannolikhet kan ta sig över en energibarriär som är större än partikelns energi. Sett ur klassisk synvinkel förefaller detta absurt, men ur kvantmekanisk syrvinket är detta en logisk följd av den grundläggande principen om att varje partikel även kan beskrivas som en vågrörelse. Accepterar man detta är det sedan betydligt mindre absurt att tänka sig att en vågrörelse kan ta sig igenom en absorberande barriär förutsatt att barriären är tillräckligt tunn. Man säger att partikeln ”tunlar” genom barriären. .

9 Leo Esaki gav namn åt tunneldioden

Den äldsta nu prisbelönta upptäckten gjordes av Leo Esaki år 1957. Han observerade ett säreget beteende i ström-spänning-kurvan hos ett hopfogat halvledarpar (Fig 1). Detta kunde han förklara dels med hjälp av tunneleffekten och dels med hjälp av den speciella bandstrukturen hos halvledare. Strömbärarna ”tunlar” genom energibarriären som bildas av gränsskiktet mellan de två halvledarna. För att detta skall vara möjligt måste barriären vara mycket tunn, endast ca 100 Å (10 nm), vilket kan åstadkommas genom att introducera rätt höga orenhetskoncentrationer i halvledarna. Dessutom fordras det att energinivåerna i de två halvledarna ”passar ihop” för att strömbärarna skall kunna röra sig över gränsskiktet. I halvledare bildar energinivåerna sk band som i det här fallet är ganska smala.

Då man kopplar en yttre spänning över halvledarparet ökar man energin hos strömbärarna i den ena halvledaren jämfört med strömbärarna i den andra. Man kan tänka sig att man genom att variera spänningen låter de två energibanden passera förbi varandra på en energiskala. En liten yttre spänning får de smala energibanden att sammanfalla och en stark tunnelström kan flyta mellan halvledarna, men då spänningen ytterligare ökas har banden inte längre samma energi och strömbärarna kan inte längre ”tunla” genom gränsskikte 3 eftersom det inte finns något ledigt energitillstånd med rätt energi att tillgå. Då spänningen ytterligare ökas börjar den sk diodströmmen att flyta mellan halvledarna.

Detta halvledarpar, som numera allmänt kallas för tunneleller Esakidioden har fått stor betydelse inom elektroniken. Det används som oscillator och bistabil krets tack vare sin egenskap att två olika spänningsvärden svarar mot samma ström. De viktigaste tillämpningarna ligger inom högfrekvensteknikens och digitalteknikens områden där tunneldiodens snabbhet och temperaturstabilitet kommer till sin rätt.

e Ivar Giaever förklarade anomali i ”sandwich”

Ivar Giaever upptäckte 1960 en anomali i tunnelströmmen i en ”gandwich” bestående av tunna metallskikt som skilts åt me ett tunt isolerande skikt. Om båda metallerna befann sig normaltillståndet observerade man den normala tunnelströmmen som växte lineärt med den yttre spänningen, men om sandwichen : kyldes ned och metallerna hade valts så att den ena vid nedkylningen övergick i det supraledande tillståndet, slutade tunnelströmmen att flyta. Ingen ström kunde observeras ända tills ett väldefinierat spänningsvärde uppnåddes, varvid tunnelströmmen plötsligt antog det värde den haft om båda metallerna varit normala (Fig 2).

Detta fenomen kunde Giaever förklara med hjälp av tunnel-.

fenomenet och den år 1957 framlagda BCS-teorin (efter upphovsmännen Bardeen, Schrieffer och Cooper, vilka för denna teori fick motta Nobelpriset i fysik år 1972). Teorin säger att i en supraledare bildar strömbärarna, dvs elektronerna, par och att deras energi härvid är lägre än de normala elektronernas; man talar om en sk gapenergi mellan de båda tillstånden, I Giaevers experiment kunde bara normala elektroner ”tunla” mellan de båda metallerna eftersom den ena metallen var i normaltillståndet. Således måste man med hjälp av en yttre spänning öka de supraledande elektronernas energi med en mängd söm svarade mot gapenergin, för att

Forum 18/1973

Leo Esakl Ivar Giaeve «ten belönade de skulle kunna bära tunnelströmmen genom det isolerande skiktet. Experimentet var en mycket vacker demonstration av BCS-teorins riktighet.

Härutöver har Giaever år 1968 publicerat viktiga resultat av experiment med ljuskänsliga Josephson-element.

9 Brian Josephson — den stora teoretikern

Den tredje pristagaren, Brian Josephson från Cavendish laboratoriet vid Cambridge universitetet i England, är den ojämförligt mest betydande av årets pristagare.

I motsats till de två andra är han en ren teoretiker. Hans arbete behandlar den supraledande tunnelströmmen i sandwichar av samma typ som Giaever arbetade med, dock med den skillnaden att här förutsätter man att båda sidorna av sandwichen består av supraledare.

STRÖM STRÖM

SPÄNNING Fig 1. Tunnelströmmen i en Esaki-diod.

Fig 2. Tunnelströmmen I en ”sandwich” be Brlan Josephson

Josephson förutsade att om det isolerande skiktet görs tillräckligt tunt så kommer de krafter, som verkar mellan elektronerna och som får dem att para ihop sig övergå i det supraledande tillståndet, att verka också över gränsskiktet och på detta sätt möjliggöra en supraström genom isolatorn (Fig 3). Skiktet måste vara endast 10—20 Å (1—2 nm) tjockt, vilket förklarar att ingen lyckats tillverka dylika sandwichar tidigare. En dylik supraledande tunnelström leder till flera mycket intressanta fenomen, vilka också i detalj beskrevs av Josephson innan någon hunnit experimentellt verifiera hans förutsägelser. Detta skedde år 1962 och Josephson var då endast 21 år gammal. Vi har endast tio år efter Josephsons teoretiska förutsägelser om de märkliga effekter som baserar sig på dessa fenomen. Utvecklingen har varit otroligt snabb, vilket klart demonstrerar den rent praktiska vikten av Josephsons, och även Giaevers, insats. Detta var även fallet med Esakis upptäckt på halvledarområdet; idag tillverkas det miljoner tunneldioder varje år. Dessa omständigheter har säkert i avgörande grad påverkat priskommittén då den i år träffade sitt val.

STRÖM

SPÄNNING SPÄNNING

Fig. 3. Tunnelströmmen I ett Josephson-ele stående av en normal och en supraledande. ment. metall åtskilda med ett tunt isolerande skikt.

Forum 18/197 35