Je leest:

Nieuwe chip legt quantumeffecten in materiaal bloot

Nieuwe chip legt quantumeffecten in materiaal bloot

Testbank van de TU Delft voor het onderzoeken van materiaaleigenschappen

Meestal is een schaalmodel kleíner dan het ‘echte’ werk, bijvoorbeeld wanneer een toekomstige dijk wordt getest. Wetenschappers van de TU Delft komen nu met een schaalmodel dat juist groter is. Ze hopen op deze manier exotische materiaaleigenschappen zoals supergeleiding in het allerkleinste te testen en te begrijpen.

Atomen bestieren de wereld. Het gedrag van de allerkleinste – voor ons onzichtbare – deeltjes bepaalt de eigenschappen van het materiaal waar ze in zitten. Zoomen we nog iets verder in dan komen we in de wereld van de elektronen, deeltjes die normaal gesproken om de atoomkernen in een materiaal heen draaien maar ook naar buuratomen springen. Het gedrag van deze elektronen bepaalt de elektrische eigenschappen van een materiaal. Van geleiding, tot magnetisme, tot het exotische supergeleiding.

Meissner
Demonstratie van het Meissner-effect waarbij een magneet boven een stukje supergeleidend materiaal zweeft.

De grote lijnen van hoe dit allemaal werkt zijn bekend, maar nog steeds hebben onderzoekers niet álle materiaaleigenschappen onder de knie. Zelfs met de meest krachtige computersimulaties zijn ze niet in staat de vele subtiele quantumeffecten mee te nemen in een model met meer dan enkele tientallen elektronen. Effecten die juist een grote rol spelen in fenomenen als hoge-temperatuur-supergeleiding. Hierbij verliest een materiaal zijn elektrische weerstand volledig. Ingenieurs zouden graag supergeleiders gebruiken in een efficiënt elektriciteitsnetwerk waar geen enkele verliezen meer worden geleden, maar onder andere het gebrek aan een goede theorie staat deze ontwikkeling in de weg.

Chip met connecties naar circuit bord
Foto van de chip waarop Delftse wetenschappers zogenoemde quantumdots creëren.
Vandersypenlab/QuTech/TU Delft met toestemming

Om beter te begrijpen wat er bij het allerkleinste gebeurt, gooien wetenschappers van QuTech van de Technische Universiteit Delft het over een andere boeg. Ze ontwikkelden een systeem waarin dit soort quantumgedrag van nature voorkomt. Op een speciale chip, in drie zogenoemde quantumdots, vingen ze elektronen die zich bij lage temperaturen net zo gedragen als de elektronen in een materiaal. Het relevante gedeelte van die chip is slechts enkele honderden nanometers groot, maar het blijft een materiaalsimulatie op grote schaal. De onderzoekers hebben goede hoop dat ze er exotische materialeneigenschappen beter mee kunnen begrijpen. Deze week presenteren ze hun systeem in het wetenschappelijk tijdschrift Nature.

Een opgeblazen schaalmodel van atomen

De quantumdots van de TU Delft worden gevormd in een laagje galliumarsenide, een veelgebruikte halfgeleider die het midden houdt tussen een geleider (waarin elektronen vrij bewegen) en een isolator (waarin elektronen bij atoomkernen blijven). Kleine geleidende strookjes van titanium en goud die bovenop de halfgeleider liggen, geven de onderzoekers controle over elektronen eronder. Met een elektrische spanning op de strookjes ontstaan er plekken in het galliumarsenide die elektronen als het ware vangen. Elke van deze zogenoemde quantumdots kan maximaal vier elektronen vasthouden.

Overzicht elektronen microscoop
Close-up van het hart van de chip. In de kleine rondjes (quantumdots) worden de elektronen gevangen. Het grote rondje met de pijl is de plek die wordt gebruikt om de quantumdots uit te lezen. De breedte van de drie quantumdots samen is 100 keer kleiner dan de dikte van een haar.
Tim Baart

Het zijn deze quantumdots die model staan voor de atomen in een materiaal. Atomen ‘vangen’ immers ook elektronen en kunnen ze afhankelijk van het soort atoom en de omgeving doorgeven aan hun buuratomen. Ook tussen de quantumdots springen elektronen over, een proces dat in deze opstelling gestuurd wordt door de hoogte van de spanning op de eerdergenoemde geleidende stroken.

“We hebben nu eigenlijk een schaalmodel van een materiaal”, zegt Toivo Hensgens, promovendus van QuTech en eerste auteur van het Nature-artikel. “Vergelijk het met de schaalmodellen bij onderzoeksinstituut Deltares, waarmee ze dammen, dijken en sluizen testen. Het bijzondere van ons model is dat het niet kleiner maar juist gróter is dan het werkelijke systeem.”

Hoe de onderzoekers weten dat het gedrag van dit schaalmodel overeenkomt met de werkelijkheid in een materiaal? “Dat hebben we getest”, zegt Hensgens. “Omdat we nog met relatief weinig quantumdots werken (drie – red.) konden we de resultaten volledig doorrekenen en bevestigen met de computer.”

Supergeleiding onder de loep

De wetenschappers denken een platform in handen te hebben waarmee ze effecten zoals supergeleiding bij relatief hoge temperatuur kunnen onderzoeken. Hoewel er inmiddels een theorie is voor supergeleiding bij extreem lage temperaturen (meestal enkele graden boven het absolute nulpunt, ofwel -273 graden Celsius) in bijvoorbeeld metalen, ontbreekt er nog een goede verklaring voor hetzelfde fenomeen bij veel hogere temperatuur. In 1986 werd ontdekt dat een speciale klasse van keramische materialen tientallen graden warmer nog steeds supergeleidend is, uiteindelijk tot wel -140 graden Celsius. Onder extreem hoge druk blijven sommige materialen zelfs supergeleidend tot zo’n 70 graden onder nul.

In een supergeleidend materiaal gedragen elektronen zich meer dan anders als een geheel. Ze beïnvloeden elkaar via quantumeffecten (verstrengeling) waardoor ze eigenlijk niet meer los beschreven kunnen worden in een model. “Dat maakt het lastig om de eigenschappen van zo’n materiaal op grotere schaal helemaal door te rekenen, er zijn te veel toestanden waarmee het model rekening mee moet houden”, zegt Hensgens. “Ons systeem heeft daar geen last van omdat deze quantumeffecten er van nature inzitten. We hoefden ons systeem eigenlijk alleen maar in te stellen om dit soort quantumeffecten waar te nemen.”

Atoomkernen small
Impressie van twee verstrengelde deeltjes.

Het is overigens niet het eerste ‘schaalmodel’ voor materialen. Er is binnen de natuurkunde ook een tak van sport die probeert met atomen in een vacuüm de eigenschappen van een materiaal op atomaire schaal te modelleren. Hensgens ziet dit onderzoek niet per se als concurrentie, maar als een aanvulling. “Het voordeel van die opstelling is dat het makkelijker te maken is, tegelijkertijd is het moeilijker om die belangrijke quantumeigenschappen uit de data te halen”, zegt hij.

Meer dots

Hensgens is blij dat het ze is gelukt deze kleine en delicate proefopstelling te bouwen en te testen. Dit kan volgens hem het begin zijn van een nieuw onderzoeksveld. Maar eerst moet het aantal quantumdots worden uitgebreid. “Hiermee hebben we slechts het principe aangetoond, als we dit kunnen uitbreiden dan komen we wat kennis betreft echt in nieuwe gebieden”, zegt hij. “Ook zou ik ze graag in een vlak hebben, in plaats van in een rechte lijn, dat lijkt meer op de echte situatie.”

Tot slot moeten de quantumdots wat ‘zuiverder’ worden. Hensgens laat weten dat ze tussen de elementen in hun opstelling nog verschillen konden meten. Dat is anders dan in een materiaal, waarin elk atoom in principe exact hetzelfde is. De onderzoekers willen dat ondervangen door nog zuiverdere materialen te gebruiken.

Bron

  • Hensgens T. et al., Quantum simulation of a Fermi-Hubbard model using a semiconductor quantum dot array, Nature (2 augustus 2017), DOI:10.1038/nature23022
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 04 augustus 2017

Discussieer mee

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE