Kontaktperson
Hans He
Forskare
Kontakta Hans
Foto:
David Lagerlöf
Världsledande elektriska mätningar med kvant och grafen
Grafen och kvantmekaniska fenomen skapar förutsättningar för ännu noggrannare elektriska mätningar i näringsliv och samhälle. I ett renrum i Göteborg tillverkar forskare från RISE de världsledande chip som driver utvecklingen och används av länder som USA, Sydkorea, Kanada och Frankrike.
I renrummet MyFab Chalmers är luften extremt ren och fri från partiklar som damm, pollen och andra föroreningar. Det är en förutsättning för de känsliga processer som pågår här. Mikrochippen är så små att en enda dammpartikel kan vara större än komponenterna på chippet. Innan man får kliva in i lokalen krävs en noggrann process i flera steg för att ta på sig heltäckande skyddskläder.
– Det är en del att pilla med om man inte är van, men för oss som jobbar här och går in och ut flera gånger om dagen går det smidigt, säger Hans He, forskare på RISE.
Han är på plats i renrummet tillsammans med forskarkollegan Naveen Shetty för att tillverka så kallade kvanthallelement och kvanthallarrayer i grafen. Chippen tillverkas med hjälp av litografi, en metod där man med en elektronstråle ritar extremt små strukturer på materialet, i det här fallet grafen av högsta kvalitet.
– Just nu kontrollerar vi grafenproverna innan vi fortsätter med resten av produktionsprocessen. De måste vara felfria för att det ska fungera. Från grafenprov till färdigt chip tar det ungefär en vecka här i renrummet, säger Hans He.
Med kvanthalleffekten får vi resistansvärden som är extremt stabila och väldefinierade, vilket passar perfekt för realisering av resistansenheten.
Precisionsmätningar på riksmätplatsen för elektriska storheter
Resistans och spänning är grundpelarna för elektriska mätningar. För att kunna lita på mätresultat krävs kalibrerade mätinstrument, och kvanthallchippen fungerar som referenspunkt högst upp i kalibreringskedjan för resistans. När chippen är klara transporteras de till riksmätplatsen för elektriska storheter hos RISE i Borås. Där väntar precisionsmätningar under flera veckor innan de är färdiga att användas.
– Vi har arbetat med realisering av resistans med hjälp av det kvantmekaniska fenomenet kvanthalleffekten och grafen framgångsrikt under flera år, och bland annat publicerat våra resultat i Nature Communications, säger Hans He.
Den klassiska halleffekten uppstår när en elektrisk ström går genom ett material i ett magnetfält. Då bildas en spänning i sidled. Ju starkare magnetfält, desto större blir spänningen. I vanliga material är förhållandet linjärt. Men i extremt tunna material, tvådimensionella system, vid mycket starka magnetfält och låga temperaturer, händer något oväntat. För vissa magnetfältsvärden antar resistansen i sidled exakt bestämda värden som bara beror på naturkonstanter. Detta kvantmekaniska fenomen kallas kvanthalleffekten.
– Med kvanthalleffekten får vi resistansvärden som är extremt stabila och väldefinierade, vilket passar perfekt för realisering av resistansenheten, säger Hans He.
Grafen ger nya möjligheter
Kvanthalleffekten har använts länge. Det nya är dels att använda grafen som gör det möjligt att skapa kvanthallelement som kan användas vid högre temperaturer, vid högre strömmar, och lägre magnetfält, dels att koppla ihop många kvanthallelement till så kallade arrayer.
– Med ett kvanthallelement i grafen får vi en exakt resistansnivå nära 12,9 kΩ. Men resistansvärden ute i industrin kan vara flera storleksordningar lägre eller högre. För att nå andra resistansnivåer krävs flera steg av sekundära kalibreringar, där varje steg ökar mätosäkerheten. För att komma runt det har vi utvecklat metoder för att koppla ihop många element till arrayer, vilket gör det möjligt att välja godtycklig resistansnivå för realiseringen, säger Hans He.
Påverkar inte bara elektriska mätningar
När SI-systemet definierades om 2019 kopplades definitionen av kilogrammet till Plancks konstant istället för en fysisk metallcylinder – den internationella kilogramprototypen. Ett sätt att realisera kilogrammet är att använda en så kallad kibblevåg, en typ av våg som använder elektromagnetisk kraft för att balansera en okänd massa. RISE arbetar tillsammans med NPL i Storbritannien för att utveckla en svensk kibblevåg.
– Kibblevågen kräver extremt noggranna strömmätningar, och genom att ersätta en traditionell resistor med ett kvanthallchip i grafen kan osäkerheten i massamätningarna förbättras, säger Hans He.
Utveckling i tre steg
Hans He beskriver utvecklingen som en trappa med tre steg. Första steget är enskilda kvanthallelement tillverkade av grafen, som nu är på väg mot internationell standardisering och som redan idag används i jämförelsemätningar mellan nationella metrologiinstitut. Andra steget är kvanthallarrayer.
– Än så länge är vi nästan ensamma i världen med att nå den stabilitet och kvalitet som krävs för arrayerna, så det är en bit kvar innan det kan bli en internationellt standardiserad metod, säger Hans He.
En begränsning med kvanthallarrayer är att resistansnivån bestäms i samband med tillverkningen (till exempel 100 Ω). Det tredje steget i trappan är därför programmerbara arrayer, där användaren i realtid kan ställa in önskade resistansnivåer med ett och samma chip.
– Det är ett långsiktigt mål och kräver mycket forskning, men det har potential att bli den ultimata resistansstandarden. Spänningsnormaler baserade på ett annat kvantfenomen, Josephsoneffekten, har redan fullbordat denna resa, och är idag programmerbara, säger Hans He.
Stort internationellt intresse
Tekniken används redan idag internationellt. RISE samarbetar med och levererar de världsledande chippen till nationella metrologiinstitut i bland annat USA, Frankrike, Kanada och Sydkorea, och säljer chip kommersiellt till den kanadensiska mätinstrumenttillverkaren Measurements International Ltd.
– Vi märker att intresset växer hela tiden och vi får många förfrågningar, vi bjuds in till fler och fler forskningssamarbeten och den teknik vi tagit fram används aktivt både i forskning och kommersiell verksamhet, säger Hans He.
Vad är kvanthalleffekten?
Kvanthalleffekten är ett kvantmekaniskt fenomen som uppstår i tvådimensionella material vid starka magnetfält. Elektronerna kan endast röra sig i vissa bestämda banor, vilket gör att resistansen antar diskreta, extremt stabila nivåer (platåer). Dessa resistansvärden beror enbart på fundamentala naturkonstanter, vilket gör dem perfekta som absolut referens för mätteknik på högsta nivå.
Varför grafen?
Grafen består av ett enda atomlager kol. Kristallstrukturen ger grafen unika elektriska egenskaper som gör det idealiskt för kvanthallkomponenter. Kvanthalleffekten i grafen uppstår vid högre temperaturer, lägre magnetfält, och tål högre strömmar jämfört med halvledarmaterialen som användes förr. Detta ökar prestandan samt gör handhavandet enklare i praktiken. För metrologiska tillämpningar används epitaxiellt odlad grafen på kiselkarbid, vilket ger ett monolager med monokristallint grafen av den höga kvalitet som krävs för precisionsmätningar.