Nanofysiikka

Nanofysiikka on fysiikan ala, joka tutkii aineen ilmiöitä ja ominaisuuksia nanoskaalalla, tyypillisesti noin 1–100 nanometriä. Nanofysiikassa korostuvat kvanttivaikutukset, suurten pintapinta-alueiden merkitys ja rakenteelliset rajoitteet, jotka muokkaavat materiaalien käyttäytymistä makroskooppisten vastaavien sijaan. Tutkimus yhdistää kondenssifysiikan, materiaalitieteen ja pintatieteen sekä muodostaa perustan nanoteknologian sovelluksille.

Keskeisiä ilmiöitä ovat kvanttikontfinointi, energiarakenteen muutos ja tunneling-ilmiöt nanojaksoissa. Nanorakenteet voivat osoittaa erilaisia sähkönjohtavuutta, optisia ominaisuuksia ja magneettista käyttäytymistä kuin suurikokoiset järjestelmät. Pintavaikutukset ja suurin pinta-ala suhteessa tilavuuteen vaikuttavat kemiallisiin reaktioihin, lujuuteen ja energiatiheyksiin. Näitä ilmiöitä tutkitaan sekä teoreettisin malleine että kokeellisesti kvanttimekaniikan avulla.

Kokeellisesti nanofysiikkaan liittyy STM- ja AFM-mikroskopioita sekä TEM- ja SEM-elektronimikroskopiaa sekä erilaista spektroskopiaa. Nanorakenteiden valmistuksessa käytetään sekä top-down- että bottom-up -lähestymistapoja, kuten litografia, epitaksiaalikasvu ja itse-assembly.

Sovellukset kattavat kvanttipisteet ja nanokaideelet elektroniikassa ja fotoniikassa, nanotransistorit, sensoriteknologian sekä energiatehokkaat materiaalit. Nanofysiikka tukee myös biomedisiin sovelluksiin liittyviä kuvantamis- ja lääketeollisuuden ratkaisuja.

Haasteita ovat valmistusjärjestelmien toistettavuus ja skaalaus, laitteiden vakaus ja jäähdytys sekä rajalliset mittausmenetelmät ja teoreettisen mallinnuksen kehittyminen. Tutkimus etenee sekä perustutkinnan että soveltavan kehityksen alueilla.