Nieuwe chip legt quantumeffecten in materiaal bloot

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.

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.

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.

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.