Die elektronen blijven ons verbazen. In eerste instantie leek het een simpel verhaal: het ene materiaal geleidt stroom (geleider) en het andere materiaal niet (isolator). Maar toen vonden we de halfgeleider, die qua geleiding tussen beide inzit, en de supergeleider, waarin stroom zonder weerstand kan bewegen. En sinds kort kunnen we ook de ‘topologische isolator’ aan dit rijtje toevoegen, waarin elektronen weer iets anders doen, namelijk isoleren én geleiden.
Sinds in 2007 voor het eerst experimenteel een topologische isolator aan het licht kwam, staat het materiaal onder grote belangstelling van natuurkundigen. Alexander Brinkman, hoogleraar aan de Universiteit Twente, is er daar één van. Zijn onderzoeksgroep van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie probeert de geheimen van topologische isolatoren bloot te leggen. Brinkman kreeg daarbij onlangs een steuntje in de rug met een subsidie uit het onderzoeksprogramma NWO-Nano. Kennislink was benieuwd waar Brinkman nu precies naar op zoek is en vroeg het hem.
KNAW
Alexander Brinkman (1975) is sinds februari van dit jaar hoogleraar ‘Quantum Transport in Matter’ aan de Universiteit Twente. Hij is één van de jongste hoogleraren in Nederland. Internationaal geniet hij veel aanzien voor zijn werk aan supergeleiders. Hij studeerde en promoveerde in Twente, maar heeft ook kortstondig onderzoek gedaan aan het Amerikaanse ‘Massachussetts Institute of Technology’ (MIT) en was postdoc aan de Zwitserse ‘Université de Genève’. Sinds dit jaar is hij lid van de Jonge Akademie (KNAW), een groep jonge topwetenschappers die de wetenschap positief naar buiten moet brengen.
Wat is een topologische isolator nu eigenlijk precies?
“Het is een materiaal dat aan de buitenkant – dus aan de oppervlakte – wél stroom geleidt, maar binnenin het materiaal – in de ‘bulk’ – niet. Nu is dat op zich nog niet eens zo bijzonder. Denk maar aan de atoombindingen in een perfect kristal. In de bulk zijn deze bindingen in alle richtingen, maar aan de oppervlakte mis je de helft. Dus dat er aan de oppervlakte van een materiaal iets anders gebeurt dan in de bulk is goed voor te stellen.”
Waarin zijn natuurkundigen dan zo geïnteresseerd?
“In dit geval gebeurt aan de oppervlakte van zo’n topologische isolator iets geks met de zogeheten spin van elektronen. Dat is een quantummechanische eigenschap die staat voor het eigen magneetveld dat een elektron creërt, ook wel het magnetisch moment genoemd. De richting van het magneetveld kan naar boven zijn, dan noemen we het ‘spin up’, of naar beneden: ‘spin down’.
Bijzonder is dat in deze materialen de spin van het elektron de richting bepaalt waarin het door het materiaal beweegt. Atomen in het materiaal kunnen echter, omdat zij óók een magnetisch moment hebben, de spin van het elektron veranderen. Zo kan een elektron voortdurend een andere richting op worden gestuurd.
Binnenin het materiaal worden elektronen zodanig omringd door atomen – en worden ze naar alle kanten tegelijk opgestuurd – dat ze netto niet bewegen. Daar is dus geen geleiding.
Maar aan de oppervlakte merken elektronen alleen iets van de atomen aan één kant. Daar bewegen ze dus wel, maar alleen zódanig dat als ze naar rechts bewegen ze altijd spin up hebben, en naar links spin down. Het is net een soort snelweg met twee rijbanen."
Dat klinkt bijzonder; maar kunnen we daar iets mee?
“Jazeker, vanwege dit gedrag van de elektronen zie je geen zogenoemde ‘backscattering’ in het materiaal optreden. Dat is het terugkaatsen van een elektron als het bijvoorbeeld op een ander atoom botst. Hierbij komt warmte vrij. In halfgeleiders treedt dit wel op, wat de reden is dat onze apparatuur zo warm wordt bij lang gebruik.
Als een elektron in een topologische isolator tegen iets aan zou botsen en een andere kant op zou bewegen, moet zijn spin omdraaien. Maar hiervoor is een magneetveld nodig. Dat is er niet, en dus zal een elektron niet terugkaatsen. Het elektron beweegt gewoon door en er zal geen warmteontwikkeling plaatsvinden. De computerindustrie heeft vanzelfsprekend interesse. Het biedt perspectief op energiezuinige chips.
Verder is het zo dat topologische isolatoren mogelijkheden bieden voor een heel nieuw soort elektronica: ‘spintronica’. Nu is alle elektronica gebaseerd op het bewegen van lading. Bij spintronica beweeg je geen lading, maar verander je de spin van elektronen. Het kost minder energie om spins te manipuleren, dan om lading te bewegen, dus spintronica belooft veel zuinigere en snellere computerchips. Topologische isolatoren lijken erg geschikt als materiaal in spintronica."
Toepassingen zoals deze lijken nog ver weg. Waar staat het onderzoek nu?
“Een aantal voorspellingen die zijn gedaan over de wisselwerking tussen elektronen en atomen aan het oppervlak van deze materialen zijn nu experimenteel aangetoond; hoewel dat alleen met zogenoemde spectroscopische experimenten is gedaan. Daarbij laat je röntgenstraling op het oppervlak vallen, zodat je ziet hoe elektronen zich gedragen. De volgende stap is nu om dezelfde effecten te bevestigen als je puur naar de beweging van elektronen kijkt, dus als je een stroompje stuurt door het oppervlak.”
En dat is iets wat jullie doen?
“Ja, we kijken bijvoorbeeld naar het transport van elektronen in kristallen van bismut-telluride, een topologische isolator. Wat je ziet is dat de bulk niet helemaal isoleert, maar dat door vervuilde atomen toch een beetje geleiding optreedt. Een grote uitdaging is om te zorgen dat de kristallen minder goed geleiden in de bulk.
Daarom kijken we ook naar dunne films, waar je dit probleem minder hebt. Een dunne film is een laagje materiaal van maximaal een paar micrometer dik. Als je zo’n dunne film atoomlaag voor atoomlaag opbouwt, kun je de mate van vervuiling controleren.
Wij kunnen al supergeleidende contacten maken en dan zie je dat de stroom heel netjes door de oppervlakte gaat en niet door de bulk. We hopen te kunnen zien of er echt minder ‘backscattering’ is. En of we Majorana-fermionen kunnen waarnemen."
Ah, Majorana-fermionen. Zijn dat niet die deeltjes waarvan de bedenker, Ettore Majorana, mysterieus verdween?
“Inderdaad, het zijn zelf ook mysterieuze deeltjes. Ze zijn namelijk tegelijkertijd hun eigen anti-deeltje. Nu is dat niet nieuw, het foton (lichtdeeltje) bijvoorbeeld is ook zijn eigen anti-deeltje. Maar het bijzondere hier is dat het om fermionen gaat, dus deeltjes met een ‘halftallige’ spin, zoals elektronen. Nooit eerder zijn Majorana-fermionen in het echt geobserveerd.”
En in een topologische isolator zouden we ze kunnen vinden?
“Dat is de gedachte. In een halfgeleider heb je elektronen en gaten, waarbij gaten ontstaan op de plek waar een elektron wegspringt. Gaten zijn dus een soort ‘anti-elektronen’, met positieve lading.
In supergeleiders – waarin elektronen een bijzondere samenwerking aangaan – ontstaat bij een bepaalde energie een deeltje dat tegelijk een beetje elektron- en gateigenschappen heeft. Dat is nog net geen Majorana-fermion, omdat in dit geval de spin nul is.
Je hebt dus iets nodig in een supergeleider dat ervoor zorgt dat je een halftallige spin overhoudt. Dan komen die topologische isolatoren van pas, omdat hier naar rechts bewegende elektronen altijd spin up hebben en naar links bewegende elektronen spin down. Het idee is dat als je een supergeleider koppelt aan een topologische isolator, je precies op het grensvlak van die twee zulke Majorana-fermionen zou kunnen aantreffen."
Hoe serieus is dat idee?
“Er zit wel wat in. Neem bijvoorbeeld Microsoft; het bedrijf was altijd erg geïnteresseerd in quantumcomputers, de gedroomde opvolger van de huidige halfgeleiderchips. Inmiddels heeft Microsoft allemaal wiskundigen aangesteld die algoritmes doorrekenen hoe je een quantumbit van Majorana-fermionen in elektronica zou kunnen toepassen. Het zegt natuurlijk wel iets dat zij dit serieus nemen.
In de wetenschap is de interesse natuurlijk vooral fundamenteel. Je moet er niet vanuit gaan dat we over tien jaar alles opgelost hebben, maar ik denk wel dat we binnen een aantal jaar kunnen zeggen of zo’n Majorana-fermion bestaat of niet. Er zijn zoveel verschillende groepen die hier wereldwijd mee bezig zijn."
En naar die deeltjes gaan jullie op zoek?
“Ja, met het geld van NWO-Nano hebben we twee promovendi aangesteld. Eén daarvan gaat op zoek naar het Majorana-fermion. De ander gaat op zoek naar een ander bijzonder quantumeffect wat in een topologische isolator te vinden zou zijn, een magnetische monopool.
Bij magneten heb je altijd twee polen, een noord- en een zuidpool. Volgens de wetten van elektromagnetisme kan een magneet met één pool niet bestaan. Tóch wordt voorspeld dat in deze materialen, door een combinatie van effecten, zo’n monopool kan ontstaan. Om die effecten te kunnen vinden, moet je wel eerst het materiaal voldoende begrijpen.
Dus stap voor stap willen we toewerken naar een Majorana-fermion of magnetische monopool. We gebruiken daarvoor nanotechnologische tools, zoals bijvoorbeeld elektronenlithografie waarmee we hele kleine structuurtjes kunnen maken."
Er zijn veel verschillende groepen mee bezig, en iedereen wil zo’n fermion of monopool natuurlijk het eerste vinden. Hoe zorg je dat jullie de eerste zijn?
“Het dilemma is altijd: houd je tussenresultaten voor jezelf om een voorsprong te behouden? Mijn insteek is het tegenovergestelde. We zijn heel open met wat we doen en welke resultaten we bereiken. De praktijk leert dat men dit als erg positief ervaart, dat de publicaties die je doet belangrijk gevonden worden en vaak geciteerd worden, en mensen ook graag met je samenwerken. Op de lange termijn werkt openheid beter. We bundelen bovendien onze krachten met onderzoeksgroepen uit Leiden, Delft en Amsterdam. Als Nederland kunnen we leuk meedoen in de strijd, als een nationaal front. Het zou geweldig zijn als we zo’n ontdekking in Nederland doen.”
Het project van Alexander Brinkman, met de titel Nanostructured topological insulators, is één van de 21 projecten in het onderzoeksprogramma NWO-Nano. Dit programma, waarvoor de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) 10 miljoen euro beschikbaar stelt, is dit jaar begonnen. Kennislink licht een aantal van deze projecten uit. Dit is het tweede artikel uit deze reeks. Lees ook het eerste artikel, over reparaties aan DNA door biologische nanomachines.