nanorakenteet

Kameroiden optiikka kevenee pian huimasti

La, 06/04/2016 - 10:04 Jarmo Korteniemi

Uuden metalinssitekniikan uumoillaan parantavan mikroskooppien erotuskykyä, ja mullistavan kameratkin.

Tekniikan ja komponenttien kehittyessä monet laitteet ovat pienentyneet roimasti. Optisten laitteiden kokoa on kuitenkin aina rajoittanut yksi tekijä – linssi. Sellaiset kun ovat umpilasisia, raskaita ja paksuja.

Lisäksi laatukin maksaa, ja parhaat linssit ovat hyvin hintavia. Näin siis tähän asti.

Science-tiedelehdessä 3.6. julkaistussa tutkimuksessa käsitellään jännittävää uudistusta optiikan alalta.

Metalinsseiksi kutsutut ohuet levyt voivat tulevaisuudessa korvata perinteiset lasilinssit. Kokonsa puolesta ne ovat jo lyömättömiä.

Metalinssien salaisuus on titaanidioksidikerroksessa, joka sijoitetaan läpinäkyvän kvartsilevyn päälle. Pinnoite koostuu valoa kääntävistä satojen nanometrien korkuisista ja valoa taittavista torneista. Eri aallonpituudet saadaan käännettyä oikeaan suuntaan tornien sopivalla sijoittelulla.

Tämä diffraktiolinsseihin perustuva menetelmä on jo vanha keksintö, mutta sen ongelma on ollut tarkkuus. Tutkijoiden mukaan nanoskaalan "tornit" mahdollistavat aiempaa paremman tarkkuuden.

Käytännön lopputulos kuvan laadussa on lähes sama kuin paljon paksummalla lasilinssillä*. Metalinssit ovat niin ohuita kuin pinnoitetta tukeva kvartsilevy vain antaa myöten.

Metalinssien avulla nähdään hyvin tarkasti alle valon aallonpituuden levyisiä kohteita. Uuden tekniikan avulla erotuskyky ja kuvan terävyys ovat vähintään samaa luokkaa kuin perinteisilläkin linsseillä. Linssin läpi pääsee parhaimmilla aallonpituusalueilla 86 % siihen tulleesta valosta, mikä on lähes samaa luokkaa kuin monilla hyvilläkin lasilinsseillä**. Tutkijat raportoivat saaneensa metalissillä aikaan 170-kertaisen suurennoksen.

Mikä parasta, optiikan valmistushinnan pitäisi tippua roimasti. Metalinssien massavalmistus kun on halpaa.

Uudella tekniikalla on merkitystä etenkin paljon suurentavissa ja läheltä kuvaavissa mikroskoopeissa. Myös kännykkäkameraan voidaan pian saada ainakin periaatteessa samanlaatuisia linssejä kuin parhaimman järjestelmäkameran objektiiveissa.

Kannattaa kuitenkin muistaa, että hienoimmastakin optiikasta huolimatta otettujen kuvien laatu riippuu eniten kuvaajan taidoista...

Alla vielä Sciencen julkaisema video, jossa metalinssien toimintaa havainnollistetaan. Jutun kuvat ovat kuvakaappuksia videosta.

Päivitys 4.6.2016 klo 13.15: Yleisön pyynnöstä lisätty kappale diffraktiosta ja maininta mikroskoopista. Tähdillä merkittyjä lauseita korjattu, aiemmin kohdissa luki "Systeemi toimii aivan kuten paljon paksumpi lasilinssi" (*) sekä "kuva ei himmenekään yhtä paljon kuin lasilinssillä" (**).

Maailman pienin autokilpailu: tässä tulevat nanoautot

Kenties omituisin kilpa-autoilutapahtuma on huipentumassa, kun viisi tutkijaryhmää viidestä maasta valmistautuu ajamaan kilpaa nanokokoisilla autoillaan. Rata on myös nanokokoinen, sillä reitillä pujotellaan atomien välissä. Kilpailu on Toulousessa, Ranskassa ensi syksynä, mutta kilpailijat on nyt valittu ja heidän loppukirinsä kisaan voi alkaa.

 

Hyvän kuvan kilpailussa käytettävien autojen koosta saa sen kilparadasta, joka on pienenpieni mikroskoopin alla oleva kultalevy, joka on jäähdytetty 5 Kelvinin lämptilaan (-268°C) ja pidetään tyhjiössä.

Levyn pinnalle on rakennettu rata, jossa on viisi toisistaan kolmen nanometrin (0,000003 mm, kolme millimetrin miljoonasosaa) päässä olevaa atomia ja lähtö- sekä maaliviivana toimii kahden atomin välinen viiva, missä on vapaata tilaa välissä peräti neljä nanometriä.

Autoilla tulee ajaa (yllättäen) lähdöstä maaliin välissä olevien atomien välissä pujotellen. 

Vaikka radan pituus on varsin pieni, tulee ajonopeus olemaan varsin hidas: kisaan kuluu todennäköisesti kaksi päivää ja yö niiden välissä. Tai ainakin se on aika, jonka ylittäneet kilpailijat diskataan.

Paitsi että kisa on varsin hidasta katsottavaa, ei sitä pysty näkemään paljain silmin, vaan sitä seurataan Toulousessa CEMES-instituutissa olevalla tunnelointimikroskoopilla, joka pystyy kuvantamaan hyvin tarkasti ja kolmiulotteisesti atomin tarkkuudella tutkittavaa ainetta.

Jokaisella kilpailijaryhmällä on oma monitorinsa ja he voivat ohjata sen avulla autonsa kulkua radalla.

Voimanlähteinä autoissa voi olla esimerkiksi valo tai tunnelointimikroskoopin toimintaperiaatteenakin oleva elektronien ns. tunnelointiefekti, tai vaikkapa magneettikenttä. 

Autoihin saa koskea mekaanisesti vain alussa, jolloin ne asetetaan lähtöviivalle.

Taustalla kisassa on pelkän kilpa-ajamisen ilon lisäksi vakavampi tarkoitus: tarkoituksena on pyrkiä tekemään nanorakenteista yhä monimutkaisempia ja toiminnallisempia, ja kehittää samalla niiden tekemiseen sekä hallitsemiseen liittyviä tekniikoita. 

Tulevaisuudessa nanokokoiset laitteet voivat tehdä monia nykyisin uskomattomilta tuntuvia asioita, kuten esimerkiksi toimia ihmisen sisällä korjausrobotteina paikkailemassa vaikkapa ikääntymisen aiheuttamia vaurioita, tai kenties rakentaa meille itsekseen tietokoneiden osia.

Kilpailijat ovat:

NanoMobile club
CEMES-CNRS (Ranska) 

JPEG - 24.2 kb

Nanocar Team
Rice (USA) & Grazin yliopisto (Itävalta)

Nano-windmill Compagny
Dresdenin teknillinen yliopisto (Saksa)

JPEG - 21.4 kb

MANA-NIMS
Nano-Vehicle (Japani)

JPEG - 9.2 kb

JPEG - 38.8 kb

Ohio Bobcat nanowagon team
Ohion yliopisto (USA)

 

Lisätieoa kilpailusta on mm. CEMESin nanoautokilpailusivulla ja sitä voi seurata (jo nyt) sosiaalisessa mediassa avainsanalla #NanoCarRace

Tulevaisuuden tietotekniikkaa: Järjestetyt kvanttipisteet nanorakenteiden perustana

Ma, 01/20/2014 - 21:32 Markus Hotakainen

Mikroprosessoreiden laskentateho kaksinkertaistuu Mooren lain mukaan 18 kuukaudessa. Piipohjaisten prosessorien kehityskaaressa tehon kasvu on saavutettu transistorien nopeutta kasvattamalla sekä varsinkin niiden kokoa pienentämällä. Fysiikan lakien asettamat rajat ovat kuitenkin tulossa vastaan: prosessorien hukkalämpö ja kvanttimekaaniset vuotovirrat ohuiden eristekerrosten läpi estävät piitransistorien koon pienentämisen. Niinpä tutkijat ovat suunnanneet mielenkiintonsa uudenlaisiin ratkaisuihin turvatakseen kasvavien tietomäärien käsittelyyn vaadittavan laskentatehon myös tulevaisuudessa.

Mahdollisia piiprosessorien korvaajia ovat puolijohdekvanttipisteisiin perustuvat kvanttitietokoneet ja täysin optiset mikropiirit. Kvanttipisteiden hyödyntäminen näissä sovelluksissa vaatii kuitenkin, että ne voidaan sijoittaa tarkalleen oikeaan paikkaan muuhun piiriarkkitehtuuriin nähden. Teemu Hakkarainen on tutkinut väitöstyössään järjestettyjen puolijohdekvanttipisteiden kasvattamista kvanttioptiikan ja täysin optisen tietotekniikan sovelluksiin.

Tampereen teknillisen yliopiston optoelektroniikan tutkimuskeskuksessa puolijohdekvanttipisteitä kasvatetaan nanorakenteiselle pinnalle. Näin kvanttipisteet pakotetaan tarkalleen haluttuihin paikkoihin, vaikka ne luontaisesti muodostuvat täysin satunnaisiin kohtiin. Tästä tutkimuksesta syntyi diplomi-insinööri Teemu Hakkaraisen väitöskirja.

Hakkarainen tutki väitöstyössään myös järjestettyjen kvanttipisteiden fysikaalisia perusominaisuuksia. Sopivalla pintarakenteella voidaan esimerkiksi vaikuttaa kvanttipisteiden muotoon, kemialliseen koostumukseen sekä hilajännitykseen, jotka määräävät kvanttitilojen energiat sekä niiden säteilemän valon ominaisuudet.

"Nanorakenteissa pienetkin ilmiöt saavat aikaan suuria muutoksia. Kvanttipisteen tiloja hallitaan yhdellä elektroni-aukko-parilla ja se säteilee valoa yhden fotonin. Tarvitaan siis erittäin herkkiä mittausmenetelmiä", Hakkarainen kertoo.

Väitöskirjassaan hän osoittaa, että TTY:n optoelektroniikan tutkimuskeskuksessa kehitetyllä menetelmällä voidaan hallita kvanttipisteiden kasvuprosessia heikentämättä niiden optista laatua. Nanokuvioiden hyödyntäminen kasvatuksessa antaa myös uuden keinon kvanttipisteiden ominaisuuksien räätälöimiseen. Hakkaraisen mukaan esimerkiksi niiden säteilemän valon polarisaatiota voidaan hienosäätää nanokuvion suuntaa muuttamalla.

Hakkaraisen väitöskirja koostuu seitsemästä artikkelista, jotka on julkaistu kansainvälisesti arvostetuissa tiedelehdissä. Uusien nanomateriaalien tutkimuksessa se täyttää aukkoa teknologian ja perustutkimuksen välillä.

*****

Diplomi-insinööri Teemu Hakkaraisen fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Site-Controlled Epitaxy and Fundamental Properties of InAs Quantum Dot Chains ("InAs kvanttipistejonojen järjestetty valmistaminen ja perusominaisuudet") tarkastetaan Tampereen teknillisen yliopiston (TTY) luonnontieteiden tiedekunnassa perjantaina 25.1.2014. Väitöskirjaan voi tutustua täällä. Teksti perustuu TTY:n tiedotteeseen.

Kuva: Lasse Orsila