Materiaalifysiikkaa antimaterialla. Filip Tuomisto Teknillisen fysiikan laitos Aalto-yliopisto

Transkriptio

1 Materiaalifysiikkaa antimaterialla Filip Tuomisto Teknillisen fysiikan laitos Aalto-yliopisto

2 Miksi aine on sellaista kuin se on? Materiaalien atomitason rakenne Kokeelliset tutkimusmenetelmät Positroniannihilaatiospektroskopia 2

3 protoni Aine koostuu atomeista elektroni Atomi: ydin (protoneja, neutroneja) + elektronipilvi Ytimen koko: 2 15 fm (fm = m) Atomin (elektronipilven) koko: ~1 Å (Å = m) neutroni 1 fm = m 0, m 1 pm = m 0, m 1 Å = m 0, m 1 nm = 10 9 m 0, m 1 µm = 10 6 m 0, m

4 Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä

5 Esimerkki: pii (Si) ja galliumnitridi (GaN) Atomit kidehilassa, etäisyys n. 5 Å ( 5 x m eli 0, mm) Atomeja siis n x kpl / cm 3 Pii: maailman puhtain aine, epäpuhtauksien osuus pienimmillään 1 : Si GaN

6 Aineen ominaisuuksia Lämpö-ominaisuudet - johtaako lämpöä? - vaikuttaako lämpötila? - varaako lämpöä? Mekaaniset ominaisuudet - hauras / sitkeä? - kova / pehmeä? - tiheä / harva? Atomitason rakenne Optiset ominaisuudet - heijastaa / absorboi / päästää läpi valoa - riippuuko aalonpituudesta? - vaikuttaako valo muihin ominaisuuksiin? Sähköiset ominaisuudet - johtaako sähköä? - johtaako aina sähköä? - miksi?

7 Jaksollinen rakenne, poikkeamat Alkuaineet, atomien pakkautuminen nätisti, elektronit pii muistuttaa sepeliä, kun taas galliumnitridi on väritön ja läpinäkyvä molemmat ovat puolijohteita, mutta elektronirakenne on erilainen (esim. luminesenssiominaisuudet poikkeavat toisistaan merkittävästi) Säännöllistä rakennetta voi häiritä: - epäpuhtauksilla - laittamalla atomeja vääriin paikkoihin - jättämällä atomeja pois - näiden yhdistelmillä Huom: oleelliset virhetiheydet alkavat ppb-tasolta! (1 : 10 9 )

8 Mittakaavoista Si GaN Kiteiset puolijohteet ja metallit (Opto-)elektroniikan komponentit Orgaaniset (pehmeät) materiaalit 0,1 nm 1 nm 10 nm

9 Miten materiaalien rakennetta voi tutkia? Usein: ammutaan jollain ja katsotaan mitä tulee ulos esim. röntgensironta (Johanna Kallio 17.1.) Elektronimikroskoopit elektronien sironta, sekundäärielektronit, luminesenssi Ionisuihkumenetelmät ioneja sisään, (toisia) ioneja tai säteilyä ulos Magneettiset resonanssit (Hanna Renvall 21.2.) elektroni- ja ydinspinien vuorovaikutukset atomimittakaava Valoherätteiset prosessit absorptio, sironta, luminesenssi Sähköiset menetelmät resistanssi, kapasitanssi, ominaisuuksia atomitason rakenne

10 Haasteita? Elektronimikroskoopit aineen atomirakenteen tutkimuksen lippulaiva! mutta: itseiset pistevirheet haaste näytteiden valmistelun vuoksi Magneettiresonanssimenetelmät antavat todella yksityiskohtaista tietoa pistevirheistä mutta: vain riittävän paksuja ja riittävän eristäviä näytteitä voi tutkia Ionisuihkumenetelmät ovat erittäin herkkiä epäpuhtauksille mutta: muiden pistevirheiden havaitseminen vaatii n. 0,1%:n esiintymistiheyksiä

11 Positroniannihilaatiospektroskopia positroni on elektronin antihiukkanen (m = m e, q = +e)! annihiloituu elektronin kanssa, tuottaen sähkömagneettista säteilyä (gammasäteilyä) lähteitä: parinmuodostus (ydinreaktorit, kiihdyttimet, vapaaelektronilaser) tai radioaktiiviset isotoopit (Na, Co,...) β + -aktiivinen Na-isotooppi ja positroni-elektroniannihilaatio 22 Na β + e + (0-540 kev) e + + e - 2γ (511 kev) 22 Ne γ (1,27 MeV) 11

12 Positronihistoriaa 1928: Ennuste/teoria: e + (P. Dirac, anti-elektroni) 1932: 1. havainto (C. Anderson, kosminen säteily) 1940-luku: positroniannihilaatiotutkimuksia materiassa (myös Simons) ja 60-luvut: kokeelliset menetelmät: positronin elinaika, annihilaatiosäteilyn Doppler-levenemä ja kulmakorrelaatio (myös Jauho, Kohonen, TKK) 60-luvun lopulla: annihilaatioparametrit herkkiä kiinteiden aineiden (metallien) hilavirheille!

13 Historia jatkuu ja 80-luvut: lisää kokeellisia menetelmiä, positronikiihdytinteknologia (ohutkalvojen tutkimista varten) + positronien loukkuuntumisen teorian kehittelyä (Hautojärvi, Nieminen, Puska) 1990-luku: teoreettisten ja kokeellisten menetelmien kehittyminen puolijohteiden pistevirheet! (Saarinen) 2000-luku: puolijohdekomponentit, biologiset materiaalit, transienttipositronispektroskopia (Tuomisto)

14 Positronit haluavat mennä sinne, missä ei ole atomien ytimiä! E + E B 14

15 Molekyylimateriaalit (esim. polymeerit, biologiset kudokset) Molekyylimateriaaleissa isompia reikiä muodostuu positroniumia (positronin ja elektronin sidottu tila), positronivetyatomi Positroni elää paljon pidempään! e + e e + e

16 Timanttien väri Savuinen väri johtuu vakanssivirheistä!

17 Kudoksia voi tutkia positroneilla! Lipidikalvoissa (esim. soluseinämä) nähdään lämpötilan muutoksen aiheuttamia rakennemuutoksia positroneilla! Vaatii lisätutkimuksia sekä teoria- että kokeellisella puolella

18 Miksi aine on sellaista kuin se on? Materiaalien atomitason rakenne vaikuttaa oleellisiin ominaisuuksiin Materiaa voi tutkia antimaterialla! Puolijohteiden tutkimus vähemmän energiaa kuluttavaa elektroniikkaa, parempia aurinkokennoja Biologiset materiaalit enemmän ymmärrystä kemiallis-fysikaalisista prosesseista ihmiskehossa

19 The annihilators Dos. Filip Tuomisto, akatemiatutkija Dos. Jonatan Slotte, lehtori TkT Floris Reurings, tekninen asiantuntija PhD Asier Zubiaga, post-doc PhD Łukasz Kilański, post-doc DI Simo Kilpeläinen, jatko-opiskelija DI Esa Korhonen, jatko-opiskelija FM Jiri Kujala, jatko-opiskelija DI Jussi-Matti Mäki, jatko-opiskelija Dipl. Eng. Christian Rauch, jatko-opiskelija TkT Ilja Makkonen, teoria Dos. Ari Harju, teoria Prof. Martti Puska, teoria