Elektronen op de springplank

Dr. Hermann Sellier en een drietal van zijn collega’s van de sectie photonic devices berichtten over hun vinding in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters van 17 november. Het deeltje waar de vier wetenschappers aan sleutelden en maten is een arseenatoom. “Arseen speelt een belangrijke rol in silicium transistoren”, zegt ir. Gabri Lansbergen, de tweede auteur van het artikel. “De hoeveelheid van deze stof in het silicium bepaalt de geleidende eigenschappen van deze schakelaartjes in bijvoorbeeld pc’s. Dergelijke atomen worden ook wel doteringsatomen genoemd.”

De Delftenaren gebruikten de geleidende eigenschappen van het arseen voor een heel ander doel. Het atoom vormde in hun schakelaar de aan- en uitknop. Het zat tussen twee elektrodes in en was aangesloten op een spanningsbron. Bij bepaalde voltages werden de energieniveaus in de elektronschillen van het atoom zodanig veranderd, dat elektronen afkomstig uit de elektrodes er doorheen konden stromen. Voor hun onderzoek gebruikten de wetenschappers een transistor gemaakt door IMEC, het Leuvense onderzoekscentrum voor micro-elektronica.

“Het atoom werkte als een springplank voor elektronen”, zegt mede-auteur dr. Sven Rogge. “Door te spelen met de voltages en de stroom door de transistor te meten, konden we aantonen dat een enkel atoom elektrische velden waarneemt en konden we onderzoeken hoe hij er op reageert.”

Het werk is volgens Rogge vooral een doorbraak voor fundamenteel onderzoek naar quantummechanische eigenschappen van atomen in de vaste stof. Maar hij ziet ook toepassingen: de quantumcomputer bijvoorbeeld. “De manipulatie van de eigenschappen van een atoom in de vaste stof is het kernpunt van silicium quantumelektronica, zoals de Kane-quantumcomputer.” Deze nog puur theoretische rekenaar van de toekomst moet uit nog veel kleinere schakelaartjes bestaan die werken volgens de wetten van de quantummechanica.

“De huidige silicium schakelaars, die in feite al veertig jaar nauwelijks veranderd zijn, worden steeds moeilijker verder te verkleinen”, zegt Rogge. “Doteringsatomen staan deze miniaturisering in de weg. Naarmate de schakelaartjes kleiner worden, krijgt de positie van elk individueel doteringsatoom namelijk een steeds grotere invloed op het functioneren van de totale transistor. Twee op geheel identieke wijze gefabriceerde chips zullen daardoor niet meer bij exact dezelfde voltages geactiveerd worden.”

Met silicium en kleine beetjes doteringsatomen kan in theorie ook quantumelektronica gemaakt worden. Dergelijke miniaturiseringproblemen spelen dan niet meer. Inzicht in atoomfysica van arseen komt voor deze ontwikkeling goed van pas.

“Voor stap twee in ons onderzoek gaan we de manipulatie van de quantumeigenschappen van tellurium en fosfor, twee andere doteringsatomen, onderzoeken”, zegt Rogge. “En we gaan nauwer samenwerken met Australische theoretische fysici. De theoretische en experimentele wereld komen nu elkaar op de halfgeleider nanoschaal.”

Dr. Hermann Sellier en een drietal van zijn collega’s van de sectie photonic devices berichtten over hun vinding in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters van 17 november. Het deeltje waar de vier wetenschappers aan sleutelden en maten is een arseenatoom. “Arseen speelt een belangrijke rol in silicium transistoren”, zegt ir. Gabri Lansbergen, de tweede auteur van het artikel. “De hoeveelheid van deze stof in het silicium bepaalt de geleidende eigenschappen van deze schakelaartjes in bijvoorbeeld pc’s. Dergelijke atomen worden ook wel doteringsatomen genoemd.”

De Delftenaren gebruikten de geleidende eigenschappen van het arseen voor een heel ander doel. Het atoom vormde in hun schakelaar de aan- en uitknop. Het zat tussen twee elektrodes in en was aangesloten op een spanningsbron. Bij bepaalde voltages werden de energieniveaus in de elektronschillen van het atoom zodanig veranderd, dat elektronen afkomstig uit de elektrodes er doorheen konden stromen. Voor hun onderzoek gebruikten de wetenschappers een transistor gemaakt door IMEC, het Leuvense onderzoekscentrum voor micro-elektronica.

“Het atoom werkte als een springplank voor elektronen”, zegt mede-auteur dr. Sven Rogge. “Door te spelen met de voltages en de stroom door de transistor te meten, konden we aantonen dat een enkel atoom elektrische velden waarneemt en konden we onderzoeken hoe hij er op reageert.”

Het werk is volgens Rogge vooral een doorbraak voor fundamenteel onderzoek naar quantummechanische eigenschappen van atomen in de vaste stof. Maar hij ziet ook toepassingen: de quantumcomputer bijvoorbeeld. “De manipulatie van de eigenschappen van een atoom in de vaste stof is het kernpunt van silicium quantumelektronica, zoals de Kane-quantumcomputer.” Deze nog puur theoretische rekenaar van de toekomst moet uit nog veel kleinere schakelaartjes bestaan die werken volgens de wetten van de quantummechanica.

“De huidige silicium schakelaars, die in feite al veertig jaar nauwelijks veranderd zijn, worden steeds moeilijker verder te verkleinen”, zegt Rogge. “Doteringsatomen staan deze miniaturisering in de weg. Naarmate de schakelaartjes kleiner worden, krijgt de positie van elk individueel doteringsatoom namelijk een steeds grotere invloed op het functioneren van de totale transistor. Twee op geheel identieke wijze gefabriceerde chips zullen daardoor niet meer bij exact dezelfde voltages geactiveerd worden.”

Met silicium en kleine beetjes doteringsatomen kan in theorie ook quantumelektronica gemaakt worden. Dergelijke miniaturiseringproblemen spelen dan niet meer. Inzicht in atoomfysica van arseen komt voor deze ontwikkeling goed van pas.

“Voor stap twee in ons onderzoek gaan we de manipulatie van de quantumeigenschappen van tellurium en fosfor, twee andere doteringsatomen, onderzoeken”, zegt Rogge. “En we gaan nauwer samenwerken met Australische theoretische fysici. De theoretische en experimentele wereld komen nu elkaar op de halfgeleider nanoschaal.”