Je leest:

Opstopping in een bergpas

Opstopping in een bergpas

Elektronenmysterie in nanodraadjes eindelijk opgelost

Auteur:

Elektronen die door nanodraadjes van amper honderd atomen breed stromen gedragen zich minder netjes dan is aangenomen. Daardoor kan er een opstopping ontstaan. Een belangrijke ontdekking, want goed begrip van elektronengedrag in dit soort dunne draadjes vormt een basis voor allerlei verdere ontwikkelingen, bijvoorbeeld die van quantumcomputers.

Het raadsel begon in 1988. De Nederlandse natuurkundige Bart van Wees ontdekte een merkwaardig fenomeen in de geleiding van nanodraadjes. Wanneer hij de draadjes breder maakte, nam de geleiding niet evenredig toe, maar in stapjes. Er bleken quantumeffecten op te treden in de draadjes, die met een keurige formule zijn te beschrijven.

Caspar van der wal
Caspar van der Wal is hoogleraar Physics of Quantum Devices.
RUG

Alleen, in het eerste stapje, bij het dunste draadje, zat er een kleine afwijking van de formule in de metingen, een klein piekje dat er niet hoorde te zijn. Dit werd eerst afgedaan als een meetfoutje, maar het foutje bleek hardnekkig en herhaalbaar.

In 1995 trokken natuurkundigen de onvermijdelijke conclusie: het was geen foutje, er gebeurde daar iets wat ze nog niet begrepen. Het fenomeen kreeg de naam Zero Bias Anomaly, oftewel ZBA.

Dat zette de onderzoekers en theoretici aan het werk. Er volgden honderden artikelen maar niemand kon een sluitende verklaring leveren. Een aantal jaren geleden maakte een promovendus van de Rijksuniversiteit Groningen onder leiding van hoogleraar Caspar van der Wal ook nanodraadjes. Tijdens metingen werd de ZBA zichtbaar. “Maar we zagen ook wat andere interessante trends”, vertelt Van der Wal. Hij zette een promovendus op het fenomeen dat zijn collega’s al zolang bezighield.

Die promovendus, Javaid Iqbal uit Pakistan, maakte een heleboel nanodraadjes van zeer zuiver materiaal en deed metingen vlakbij het absolute nulpunt (bij 50 milliKelvin). Op die manier kreeg hij zeer nauwkeurige resultaten.

Bergpas

Nanodraadjes moet je je niet voorstellen als gewone draadjes, met een geleidende kern en een isolatielaag er omheen. Een draadje ontstaat tussen twee elektroden die zorgen voor een zogeheten zadelpuntpotentiaal, een veld dat de passerende elektronen voelen en waardoor ze als het ware over een bergpas heen moeten (zie afbeelding). Aan beide zijden is er een steile bergwand waar de elektronen tussendoor moeten.

Nanodraadje als bergpas
Links: het nanodraadje dat in het onderzoek werd gebruikt kan voorgesteld worden als een ‘bergpas’ waardoor de elektronen met relatieve eenvoud kunnen reizen. De bergen worden gevormd door twee elektroden waarop een spanning wordt gezet. Rechts: Het werkelijke nanodraadje ziet er meer uit als een opening in een vlak waardoor elektronen van links naar rechts kunnen bewegen.
RUG

Dubbele piek

Het onderzoek van Iqbal leverde het inmiddels bekende piekje op, maar als de elektrische spanning op het draadje werd opgevoerd verscheen er ook een tweede piek. “Anderen hebben die dubbele piek ook wel gezien, maar zij dachten dat het een teken was dat hun draadje niet goed meer werkte”, legt Van der Wal uit. Maar de uiterst nauwkeurige metingen in zijn lab lieten zien dat dit niet het geval was. De dubbele piek was echt. Bovendien kon Iqbal zijn draadje langer maken (door een serie elektroden achter elkaar te zetten waarmee hij de bergpas naar believen kon verlengen) en het aantal pieken bleek ook toe te nemen met de lengte van het draadje.

Om dit te verklaren schakelde Van der Wal de hulp in van enkele theoretisch natuurkundigen die werkten aan het probleem, vooral een groep in Israël die het bestaan van een dubbele piek had voorspeld. “Hun theorie verklaarde alleen nog niet waarom de lengte van het draadje ook voor meer pieken kon zorgen.” Samen met collega’s uit Duitsland en Spanje werd een verklaring voor de waarnemingen bedacht, die er op neerkomt dat er een elektron (of meer dan één) vast komt te zitten boven op de bergpas.

Vast op de berg

Hoe dat komt? De elektronen die door het draadje stromen, gedragen zich als golven. Die botsen tegen de helling van de bergpas of de wanden, maar voelen ook elkaars aanwezigheid. Zo ontstaat er in de pas een complexe wisselwerking tussen elektronen, veroorzaakt door verschillende natuurkundige fenomenen. Van der Wal: “We noemen dat many body physics. Die is zeer complex, je kunt wat er gebeurt niet met één simpele formule beschrijven.”

Ballen
Zodra er veel deeltjes in een (quantum)mechanisch systeem zitten wordt het extreem lastig om exact te voorspellen wat ze gaan doen. Dit vakgebied staat ook wel bekend als many body physics.
Harald Bischoff

De uitkomst van die complexe wisselwerking is dat er een elektron bovenop de bergtop vast komt te zitten. Die opstopping veroorzaakt het rare piekje in de experimenten. Bij langere draadjes kunnen er twee of meer elektronen vast komen te zitten, die dan twee of meer piekjes veroorzaken.

Daarmee lijkt na meer dan twintig jaar een sluitende verklaring te zijn gevonden voor een raar piekje. Maar is dat belangrijk? Zeker, zegt Van der Wal. “Het gedrag van elektronen in dit soort dunne draadjes is veel complexer dan we dachten.” De opstopping in de bergpas kan de karakteristieken van elektronen (zoals de spin, een tolbeweging die elektronen maken) veranderen.

Bovendien worden de draadjes op grote schaal gebruikt in natuurkundig onderzoek. En ze vormen bijvoorbeeld een onderdeel van zogenoemde quantumdots, die gebruikt worden als bits bij het bouwen van een quantumcomputer. In al die toepassingen moeten natuurkundigen nu rekening houden met mogelijk merkwaardig gedrag van hun elektronen.

Medium
De nieuwe inzichten kunnen wellicht van pas komen bij de ontwikkeling van de quantumcomputer, waarbij het bijzondere gedrag van kleine deeltjes ingezet wordt om extreem snel berekening uit te voeren.

Nog niet klaar

De ontdekking is op 29 augustus gepubliceerd op de website van het tijdschrift Nature en verschijnt 5 september in druk. Behalve het artikel van de groep van Van der Wal staat er nog een publicatie over de merkwaardige piekjes in dat nummer, met voor een groot deel dezelfde discussies.

Het is toeval dat Van der Wal een raadsel oploste dat begon met zijn huidige collega Bart van Wees. “Ik werk eigenlijk aan heel andere systemen. Het was overigens wel Van Wees die mij een tijdje geleden naar Groningen haalde.” Van der Wal werkt vooral aan optische nanosystemen. “Maar misschien ga ik hier nog mee verder.” Bovendien, de het raadsel is opgelost, maar er blijven nog detailvragen over. “Die zullen nog wel interessante discussies opleveren”, besluit Van der Wal enthousiast.

Bron:

  • Van der Wal C. H. et al., Odd and even Kondo effects from emergent localization in quantum point contacts, Nature (5 september 2013), DOI:10.1038/nature12491
Dit artikel is een publicatie van Science Linx.
© Science Linx, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 03 september 2013

Discussieer mee

0

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

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE