Titta! Atomer!

Det är alltid svårt att beskriva vad man jobbar med som fysiker, men jag brukar alltid börja med att säga att jag fotar atomer.

Det är inte riktigt sant om man vill vara pedantisk, men det är nästan så. Med ett sveptunnelmikroskop (eng. scanning tunnelling microscope, STM) mäter man elektrondensiteten på en yta. Det finns mer elektroner nära en atom och färre mellan atomerna, så man får mer signal mitt på atomen.

Vi kan mäta detta med hjälp av tunneleffekten. Normalt, om man kastar en tennisboll mot en vägg så kommer den inte gå igenom. Men i kvantfysiken, som beskriver universums minsta beståndsdelar, ser vi att detta kan ske - alltså att det finns en chans att en elektron kan åka igenom någonting som ser ut som en vägg. I en STM betyder detta att vi kan mäta en liten ström mellan det material som vi utforskar och vår mätprob när vi har en spänning mellan dem.

Mätproben är en liten metallvajer som vi sveper fram och tillbaka över ytan. Det är nästan som en kvantmekanisk vinylskiva.

För att detta ska fungera måste vi ha en precision på atomnivå, alltså i ångström, $10^{-10}$ meter. För att jämföra med någonting man kanske kan föreställa sig: om vår mätprob är lika stor som Burj Khalifa, världens högsta byggnad, så är en atom en apelsin - och vi kontrollerar vår mätprob, Burj Khalifa i detta fall, så att den förflyttar sig med ett stekspadsavstånd från apelsinen. Det är helt sjukt, tycker jag.

Vi gör detta också vid extrema temperaturer, -272 grader Celsius, samt vid olika styrkor av magnetfält upp till 14 Tesla - tusen gånger starkare än en kylskåpsmagnet. Detta gör vi med hjälp av en cryostat som håller vårt mikroskop kallt med hjälp av flytande helium, som är i flytande form vid 4 Kelvin som motsvarar -269 grader Celsius.

För att kontrollera magnetfältet har vi en supraledande magnet, gjord av något tråkigt material - inte de spännande supraledande materialen som vi sedan använder denna experimentella uppställning till att undersöka.

Med ett sveptunnelmikroskop tar vi så fantastiskt fin data, tycker jag i alla fall. Här visar jag en yta med atomerna ordnade i ett rutnät. Det är strontiumatomer vi ser, på ytan av ett material som heter strontiumrutenat, Sr₂RuO₄. Materialet är väldigt spännande, och har i olika kemiska kombinationer olika egenskaper som vi studerar. I Sr₂RuO₄ finner vi en supraledare, och i Sr₃Ru₂O₇ och i Sr₄Ru₃O₁₀ finner vi bland annat magnetiska egenskaper. Vi mäter skillnader i höjd på skalan av pikometer, alltså $10^{-12}$ meter, vilket är så litet att det är svårt att förklara - tänk igen på en apelsin i jämförelse med Burj Khalifa.

Eftersom vi lever i den verkliga världen finns det defekter i ytorna vi undersöker, där antingen kanske en atom saknas eller att det finns någon annan sorts atom på en plats. Det som är intressant med defekter är att de ger oss information om den elektroniska strukturen i materialet, alltså hur elektronerna beter sig.

I palladiumkoboltat, PdCoO₂, ser man hur det finns vågor kring en defekt. Det ser ut som vågor på ytan av en stilla sjö om man kastar i en sten.

Ibland ser defekterna bara roliga ut också. I ett av dessa exempel ser vi ett spöklikt ansikte som påminner lite om Han Solo nedfryst i carbonite i Star Wars. Vad som helst kan hända när man tittar på atomer.

Nu kan man kanske ställa sig frågan varför vi gör allt det här. Svaret är såklart nyanserat, och vi gör denna forskning av flera olika anledningar. Först och främst för att det är spännande. Varför tittar man på stjärnorna?

Men det arbete vi gör kommer också tillbaka till mänskligheten i form av nya tekniker. Det är svårt att skapa nya saker utan att förstå varför vissa material har olika egenskaper. Vad är det i dessa material som ger upphov till exempelvis supraledning - ett fenomen där ström går igenom materialet utan energiförlust?

Vi brukar säga i labbet att vår forskning kanske blir grunden till framtidens teknik, men vi vet inte hur eller när ännu.

Med dessa ord hoppas jag att jag lyckats visa hur spännande denna forskning är och att man visst kan fota atomer.

Vill du veta mer?

Vill du veta mer om vår forskning? Eller är du sugen på att doktorera?

Besök: https://wahl.wp.st-andrews.ac.uk

Referenser

1. Yim, C. M. et al. Quasiparticle interference and quantum confinement in a correlated Rashba spin-split 2D electron liquid. Science Advances 7, eabd7361 (2021).
   https://doi.org/10.1126/sciadv.abd7361

2. Marques, C. A. et al. Magnetic-Field Tunable Intertwined Checkerboard Charge Order and Nematicity in the Surface Layer of Sr₂RuO₄. Advanced Materials 33, 2100593 (2021).
   https://doi.org/10.1002/adma.202100593