Vyspělé komunikační technologie jsou dnes již běžnou součástí našeho života. Málokterý uživatel však tuší, čím je vlastně umožněno ono zázračné přenášení a zpracování signálů, díky kterým můžeme třeba mailovat, prohlížet si webové stránky, stahovat data nebo digitálně fotografovat. Málokdo ví, z čeho je vyroben procesor jeho počítače. A jak s vývojem komunikačních technologií souvisí v současnosti módní téma nanostruktur? Odborníci z Ústavu fyziky kondenzovaných látek Přírodovědecké fakulty MU by jistě na takové otázky dokázali odpovědět. Jejich výzkumný záměr s názvem "Fyzikální a chemické vlastnosti pokročilých materiálů a struktur" jde samozřejmě mnohem dál a hlouběji. Když v roce 1947 američtí fyzici Wiliam Shockley, John Bardeen a Walter Brattain zkonstruovali první polovodičový tranzistor, zesilující součástku s nízkou spotřebou energie, znamenalo to kromě jiných aplikací i revoluci ve výpočetní technice. Tehdy byl také odhalen široký potenciál polovodičových materiálů. Reakce vědců z tehdejšího Československa byla poměrně včasná, v ústavu Akademie věd v Praze se fyzikou polovodičů od jejího vzniku zabývala zejména skupina profesora Jana Tauce. Už začátkem šedesátých let pracovali v tomto oboru i fyzikové na Brněnské univerzitě. Zejména díky spolupráci s Ústavem Maxe Plancka ve Stuttgartu se brněnskému pracovišti podařilo velmi brzy začít výzkum v oblasti polovodičových nanostruktur; první vzorky kvantových jam a supermřížek v tehdejším Československu byly studovány právě tady.
Materiál rozhoduje o možnostech zpracování dat
Jedna cesta k pokročilým materiálům je založena na tom, že jednotlivými atomy různého druhu lze manipulovat a sesazovat je tak, aby vznikala heterostruktura, atomově hladké navázání různých materiálů. Velmi přitažlivé je vytváření nízkorozměrných struktur, ve kterých je výrazně omezen pohyb elektronů díky přítomnosti kvantových bariér při přechodu z jednoho materiálu do sousedního. K výraznému projevu kvantových vlastností jsou nutné rozměry v řádu nanometrů, proto se mluví také o nanostrukturách. Výsledkem jsou překvapující vlastnosti, hodně odlišné od naší běžné zkušenosti z třírozměrného světa. Navíc je při vhodném výběru komponent heterostruktur (například křemíku v kombinaci s germaniem nebo slitinou SiGe) možné dosáhnout podstatného zrychlení funkce součástek pro přenos a zpracování elektrických signálů. Další unikátní vlastností heterostruktur je velmi účinná generace a detekce světelných signálů, nebo možnost ovlivňovat spinové stavy elektronů (jejich vnitřní magnetický moment). Vyhlídka na náhradu, zpočátku spíše doplnění, dnešní elektroniky fotonikou nebo spintronikou tak není díky pokročilým materiálům nijak nerealistická.
Jedna cesta k pokročilým materiálům je založena na tom, že jednotlivými atomy různého druhu lze manipulovat a sesazovat je tak, aby vznikala heterostruktura, atomově hladké navázání různých materiálů. Velmi přitažlivé je vytváření nízkorozměrných struktur, ve kterých je výrazně omezen pohyb elektronů díky přítomnosti kvantových bariér při přechodu z jednoho materiálu do sousedního. K výraznému projevu kvantových vlastností jsou nutné rozměry v řádu nanometrů, proto se mluví také o nanostrukturách. Výsledkem jsou překvapující vlastnosti, hodně odlišné od naší běžné zkušenosti z třírozměrného světa. Navíc je při vhodném výběru komponent heterostruktur (například křemíku v kombinaci s germaniem nebo slitinou SiGe) možné dosáhnout podstatného zrychlení funkce součástek pro přenos a zpracování elektrických signálů. Další unikátní vlastností heterostruktur je velmi účinná generace a detekce světelných signálů, nebo možnost ovlivňovat spinové stavy elektronů (jejich vnitřní magnetický moment). Vyhlídka na náhradu, zpočátku spíše doplnění, dnešní elektroniky fotonikou nebo spintronikou tak není díky pokročilým materiálům nijak nerealistická.
Na výzkumu spolupracují fyzikové i chemikové
Výzkumný záměr, který podpořilo ministerstvo školství 86 miliony korun, počítá se zaměřením na základní výzkum, který přináší nové poznatky, čím neočekávanější, tím lepší. "Faraday si také s elektřinou nejprve hrál jen tak a nejspíš to tehdy vypadalo jako blouznění, ale dnes si nedovedeme představit, co bychom si bez elektřiny počali," zdůvodňuje důležitost základního výzkumu vedoucí Ústavu fyziky kondenzovaných látek a zároveň hlavní řešitel výzkumného záměru prof. RNDr. Josef Humlíček, CSc. Zároveň jsou ve výběru zkoumaných materiálových systémů takové, které už mají nebo jistě budou mít přímé praktické aplikace. V této oblasti například členové týmu dlouhodobě spolupracují se společností ON Semiconductor, která v Rožnově vlastní transformovanou polovodičovou výrobu bývalé Tesly. Vědci provádějí specializovaná měření na materiálech a strukturách, které firma používá ve výrobě. Ve středu jejich zájmu v této oblasti ovšem stojí především křemík, z něhož jsou vyrobeny všechny důležité součásti dnešních počítačů.
Úkolem vědeckého týmu, který pracuje na novém výzkumném záměru, však není jen výzkum nízkorozměrných nanostruktur. Oblast jeho zájmu je poměrně široká, zabývá se také vybranými objemovými materiály z několika tříd kovů a polovodičů, jejich povrchy a poruchami, vysokoteplotními supravodiči či přípravou oxidických a hybridních materiálů. V týmu jsou zastoupeni jak fyzici z Ústavu fyziky kondenzovaných látek, tak chemici z Katedry teoretické a fyzikální chemie. Právě od kombinace chemického a fyzikálního přístupu k tématu si vědci slibují větší komplexnost poznatků a také možnost vzájemných přínosných podnětů. V menším počtu jsou zde pak zastoupeny další ústavy a katedry Přírodovědecké fakulty. Práce na záměru se v současné době účastní také dvanáct postgraduálních studentů. "Naším primárním zájmem nebylo realizovat něco velkého a silně financovaného, ale spíše menšího, o to však kvalitnějšího," dodává Josef Humlíček.
Výzkumný záměr, který podpořilo ministerstvo školství 86 miliony korun, počítá se zaměřením na základní výzkum, který přináší nové poznatky, čím neočekávanější, tím lepší. "Faraday si také s elektřinou nejprve hrál jen tak a nejspíš to tehdy vypadalo jako blouznění, ale dnes si nedovedeme představit, co bychom si bez elektřiny počali," zdůvodňuje důležitost základního výzkumu vedoucí Ústavu fyziky kondenzovaných látek a zároveň hlavní řešitel výzkumného záměru prof. RNDr. Josef Humlíček, CSc. Zároveň jsou ve výběru zkoumaných materiálových systémů takové, které už mají nebo jistě budou mít přímé praktické aplikace. V této oblasti například členové týmu dlouhodobě spolupracují se společností ON Semiconductor, která v Rožnově vlastní transformovanou polovodičovou výrobu bývalé Tesly. Vědci provádějí specializovaná měření na materiálech a strukturách, které firma používá ve výrobě. Ve středu jejich zájmu v této oblasti ovšem stojí především křemík, z něhož jsou vyrobeny všechny důležité součásti dnešních počítačů.
Povrchový reliéf heterostruktury InAs/GaAs z mikroskopu atomové síly (AFM). Pod hrbolky s výškou 5-15 nanometrů jsou kvantové tečky arsenidu india, obklopené hostitelským arsenidem galia. Lokalizace elektronových stavů v této nula-rozměrné struktuře (tzv. umělém atomu) vede k účinné generaci světla z blízké infračervené oblasti, které se šíří optickými vlákny téměř bez útlumu.
