supermaterialer bloghoved

Balance i kraften med Terahertz spektroskopi, Meshuggah og Fernet Branca

Hvorfor sidder jeg lørdag nat og arbejder med et manuskript om terahertz spektroskopi i stedet for at sove, se fjernsyn eller gå til koncert (som var planen). I dont know. Jeg har haft løst til at gå løs på manuskriptet hele dagen, så hvorfor ikke?

TERAHERTZ SPEKTROSKOPI er en sær og meget spændende størrelse når man nu, som mig, er fascineret af tid. Kunsten er at generere elektriske pulser der er ekstremt korte – altså hvor feltet kun er ”tændt” i en brøkdel af et brøkdel af et nanosekund, sende dem igennem objekter man gerne vil vide mere om, og analysere hvordan pulserne ændrer sig ved passage gennem objektet - lidt som Røntgen fotografering.

Man skal bruge en femto-laser – som altså kan levere en høj effekt i et tidsrum der kan være mindre end 100 femtosekunder (femtosekund: et sekund divideret med en million milliarder – 10 i femtende potens!) Effekten er høj nok til at få stof til at fordampe - på den måde, en ægte dødsstråle, som kunne gøre enhver science fiction alien bandit misundelig. På grund af den ultrakorte varighed, kan pulsen imidlertid passere igennem stof uden at det når at blive varmet op. Femtolasere bruges for eksempel til øjenoperationer - jeg har selv fået en LASIK operation for år tilbage, så ja, jeg har overlevet at blive skudt i øjet med en dødsstråle.

Vi retter altså denne korte laserpuls mod en halvleder-krystal – og det er helt afgørende at kvaliteten er elendig. Den har på forhånd fået påtrykt et stort elektrisk felt, men ingen af ladningsbærerne er i ledningsbåndet - så der løber ingen strøm. Men, nej hvor de gerne ville hvis de kunne – ”spændingen” er på bristepunktet, kan man sige, pun intended. Når så laser-pulsen ankommer får de stakkels ladningsbærere et ordentlig los, og på grund af krystallens dårlige kvalitet rekombinerer de på utroligt kort tid – dette fører til udsendelsen af en meget kort elektromagnetisk puls --- og ”meget kort” betyder i dette tilfælde at pulsens frekvensmæssigt ligger i terahertzområdet. I forhold til synligt lys hvor den typiske energi er omkring 2-3 elektronvolt, er energien meget lavere, ca. 0.01 eV.

Illustration: peter jepsen, jonas buron, peter bøggild

*(Forklaring: 1 - Illustration af terahertz opstilling hvor en laserstråle kommer fra venstre, rammer den fotokonduktive antenne (PCA) som kvitterer ved at udsende en terahertz-puls. Denne puls passerer igennem grafen-laget i midten - og afhængigt af hvor god den elektriske ledningsevne i grafenlaget er, absorberes mere eller mindre af terahertz pulsen. Absorptionen måles ved at sammenligne pulsens styrke og frekvensindhold i områder der er dækket af grafen, med områder der ikke er. 2 - den fotokondutive antenne ses her i nærbillede, og det vises hvordan femtosekund-laserpulsen forvandles til en terahertz puls. 3 - terahertz-pulserne kan lave interne reflektioner i den siliciumskive, grafenfilmen ligger på, og der kommer derfor adskillige ekko-pulser i det målte signal - disse er forskudt svarende til den tid det tager pulsen at lave et "roundtrip" - fra bagkant, til forkant, og tilbage til bagkanten af den 0.5 mm tykke silicium skive med lysets hastighed. 4 - en dejlig simpel formel, der viser hvordan forholdet mellem den transmitterede puls styrke i områder med og uden grafen, afhænger af det refraktive index for silicium skiven (n_sub) og ledningsevnen (sigma) - som er frekvensafhængig og dermed optræder som en kompleks størrelse (for at få fasen med). 5 - Ledningsevnen udledt fra formel (4) ses her fra 0.1 til 15 THz. Både real-delen (amplitude) og imaginær-delen (fasen) af ledningsevnen følger perfekt Drude-modellens forudsigelse (optrukken og stiplet linie), og det er jo så man får tårer i øjnene over hvor lækkert det er. Real-delen af ledningsevnen bliver logisk nok identisk med DC ledningsevnen for lave frekvenser, så den kan man også læse direkte af grafen.) *

Når terahertz pulsen passerer igennem et objekt, kan man måle hvor meget stråling der bliver absorberet - og dermed få informationer om hvad der foregår i prøven. Terahertz ”fotografering” er vildt spændende, og bruges blandt andet til at analysere gamle malerier, og tage billeder af dig i lufthavns sikkerhedskontrol - og iøvrigt studere en lang række materialer. Når vi bruger terahertz-spektroskopi (som foregår i min kollega terahertz-eksperten Peter Uhd Jepsens laboratorium) at absorptionen i en tyndfilm afhænger den elektriske ledningsevne – vi kan altså måle ledningsevnen ved at sende THz pulser igennem tyndfilm – i dette tilfælde nanomaterialet grafen – og ikke bare måle ledningsevnen, men også antallet af ladningsbærere, bevægeligheden af elektronerne – og hvilken type spredningsprocesser der foregår i det atom-tynde lag. Vi har hoppet op og ned de sidste 6 år og forsøgt at råbe grafenforskere og industri op : ”hey …HEY… vi har løst problemet med at måle de elektriske egenskaber af grafen over store arealer… vi har løst det!!!!”… og først nu er der kommet skred i sagerne. En oversigtsartikel vi skrev sidste efterår om elektrisk karakterisering af grafen med terahertz-spektroskopi er downloadet snart 3000 gange, så det ser ud som om at thz-pulsen er gået ind på lystavlen ind på lystavlen, omsider.

Tilbage til TIDEN. Terahertz handler altså om at styre og analysere fysiske fænomener og materialeegenskaber på en ekstremt kort tidsskala, og vel at mærke UDEN at ødelægge dem - og det går mere og mere op for os at det er en nøgle til at forstå hvordan elektronerne opfører sig i nanomaterialerne på et dybere niveau. Ligesom universet og nanoskala udfordrer vores forståelse af størrelser, udfordrer ultrahurtig fysik vores forståelse af tid - og giver mulighed for at "se" ting, vi normalt er en milliard gang for store og langsomme til at følge med i.

Så her sidder jeg lørdag nat og retter et manuskript igennem om tidskontrol af den mest ekstreme slags, og har det fantastisk. Men det kan jo også være at det har noget at gøre med....

MESHUGGAH. Som soundtrack har jeg meget passende valgt det svenske metalband Meshuggah. De dukkede op i slutningen af firserne med en kuldslået, brutal form for "heavy metal" med et uhørt højt teknisk niveau, næsten naturstridigt, som hvis et hangarskib lavet af titanium crashlandede i et cirkustelt uden selv at få en skramme. I Meshuggah er tid et fokalpunkt. Bandet introducerede komplekse og svimlende tidsstrukturer med en konsekvens, der har trukket kraftige spor op til i den dag i dag, hvor bandets lyd kopieres af tusindvis af grupper (uden det store held). Ganske som i terahertz spektroskopi, er musikken præget af en stram clockfrekvens og puls, alt andet bøjer sig for og indretter sig efter. Kaoset lurer men holdes i skak. Tidstroldmanden i Meshuggah er en af verdens mest beundrede og respekterede trommeslagere, Thomas Haake, der nu i over tredive år har låst resten bandet og dets vanvittige og voldsomme fusionsjazzmusik ind i et tikkende, dybfrossent netværk af synkoperede femtopulser. Denne musik er ikke for alle (slet, slet ikke) men for mig er det fascinerende og inspirerende trods den brændende chilismag i ørerne.

FERNET BRANCA. Her kommer så den sidste trediedel af min indrømmet, let bizarre form for lørdagsunderholdning – Fernet Branca. En sær drik der involverer et meget stort antal urter. Jeg ved ikke hvilke urter der er tale om, men de må være meget forskellige, for smagen af Fernet er endnu mere besynderlig end Gammel Dansk. Lige præcis i aften, hjælper et glas Fernet Branca til at tø mig op, her i den smukke matematiske isverden, Meshuggah og THz-spektroskopien har henlagt min stue i. Fernet er som den tåkrummende og excentriske, men også elskelige onkel, der kommer for sent til den tidsprogrammerede middag, og skaber et velkomment og uimodståeligt element af kaos omkring sig. Det er ikke kønt, men det varmer - og skuldrene kommer lige ned igen.

Så jeg har mildt sagt en forrygende aften, bliver færdig med artiklen, færdig med pladen, og gudskelov ikke færdig med Fernet Branca flasken. Jeg vil gerne rette en tak til min mangeårige samarbejdspartner og musikfan Peter Uhd Jepsen der introducerede mig til terahertzfysikkens vidunderlige verden, til mine nære venner Jan Jørgensen, der vist mig Meshuggahs rå magi, og Steffen Galster, der belært mig og insisteret på Fernet Brancas fortræffeligheder i mange, mange år. Jeg er ikke helt sikker på at jeg har knækket koden til Fernet, men i går bragte den i al fald balance i Kraften.

Peter Bøggild er professor i nanoteknologi på DTU. På bloggen Supermaterialer skriver han om stort, småt og tusind gange mindre.
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Tror du er tæt på at fundet universet og altings grundbestanddele i din cocktail af terahertz, meshuggah og fernet. Tættere på 42 kommer man nok ikke.

  • 2
  • 0

Hæhæ...netop... bortset fra det synes jeg ikke der er meget legendarisk i level 42, men sjovt nok i det link du sender er det en beretning om Pearl Jam der har taget navn efter bedstemors hallucinerende Peyote kaktus syltetøj - det passer på en måde bedre ind i din cocktail... ha' en skøn dag i laboratoriet!

  • 1
  • 0

de var legendariske da jeg var 18 og gik til gymnasiefester. Selvom jeg var lidt mere til sort sol, iggy pop, bowie, siouxie, joy d, etc etc...

  • 1
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten