Kookpunt van supergeleiding

Het regent Delftse publicaties over nanotechnologie. Twee weken geleden maakte promovendus ir. Ruurd Keizer wereldkundig dat supergeleiding door magneten mogelijk is. Vorige week beschreef ir. Paul Snijders hoe elektronen die door draadjes van één atoom dikte stromen van lading veranderen. En als klap op de vuurpijl schrijven dr. Pablo Jarillo-Herrero, ir. Jorden van Dam en prof. dr.ir. Leo Kouwenhoven in het laatste nummer van ‘Nature’ dat ze supergeleiding door een koolstof nanobuisje hebben waargenomen. Vastberaden, waarschuwt Kouwenhoven dat hn ontdekking, geen enkele praktische waarde heeft. Dit in tegenstelling tot veel ander Delfts werk dat moet leiden tot de vervaardiging van ultrakleine computerchips en uiteindelijk de supersnelle kwantumcomputer waar de wereld om staat te springen.

“Nou oké, op heel lange termijn zou de supergeleidende transistor een belangrijke bouwsteen kunnen zijn van de computer van de toekomst”, zegt hij even later, waarmee hij onderschrijft wat de faculteit in een persbericht naar buiten heeft gebracht. “Maar echt spectaculair zijn de fundamentele inzichten in de kwantummechanica die we met de transistor opdoen.” Jarillo-Herrero . eerste auteur van het artikel . valt hem bij: “Met dit onderzoek leggen we de grondbeginselen van de kwantummechanica bloot.”

De uit Spanje afkomstige Jarillo-Herrero promoveerde vorig jaar cum laude bij de faculteit Technische Natuurwetenschappen, en heeft inmiddels met drie ‘Nature’-publicaties een aardige wetenschappelijke reputatie opgebouwd. Met zijn laatste werk gaat hij de boeken in als degene die als eerste een supergeleidende nanotransistor heeft gemaakt met een koolstof nanobuisje. Dit molecuul, van enkele honderden nanometers lang en slechts één nanometer dik, werkt als een soort schakelaar tussen twee supergeleidende draden. Hij kan afhankelijk van de spanning waaraan hij wordt blootgesteld, supergeleidend zijn of juist geen enkel elektron doorlaten. Tot nu toe werden nanotransistoren gemaakt met een veel groter stuk materiaal als schakelaar. Het koolstof nanobuisje is zo klein, dat zijn elektrische eigenschappen afwijken van de reguliere natuurkundewetten. “Het buisje wordt in de nanotechnologie ook wel ‘quantum dot’ genoemd”, zegt Jarillo-Herrero. “Dit zijn zodanig kleine structuren dat ze zich gedragen als kunstmatige atomen.”
Schoonheid

Simpel gezegd betekent dit afwijkende gedrag dat de elektronen slechts in een aantal verschillende energietoestanden door het molecuul kunnen stromen. Wijzig je de spanning op de nanobuis, dan verspringen de elektronen automatisch mee naar een ander energieniveau. In grotere materialen gedragen elektronen zich heel anders. Ze kunnen zich dan in een oneindige hoeveelheid verschillende energieniveaus bevinden en als zodanig door materialen heen stromen.

“Het is een ontdekking waarvan iedereen die enigszins natuurkundig is onderbouwd de schoonheid moet inzien”, zegt Jarillo-Herrero vol overtuiging. Kouwenhoven legt uit waarom: “Wat de ontdekking zo bijzonder maakt is dat we ons bevinden op het grensgebied van twee werelden. Aan de ene kant die van de supergeleiding en aan de andere kant die van de kwantummechanica. Die bijten elkaar. Supergeleiding vindt normaal gesproken plaats in bulkstructuren. Naarmate structuren kleiner worden, neemt de weerstand toe. Maar wat we hier zien is dat de elektronen ongehinderd door een molecuul stromen als de aangebrachte spanning maar juist is. Het komt erop neer dat de twee supergeleiders en het nanobuisje één kwantummechanisch systeem vormen.”

Het experimentele werk bevindt zich voor nog een andere reden op het grensgebied van twee werelden. De proef vond plaats bij een temperatuur van één Kelvin. Onder die temperatuur is supergeleiding mogelijk en daarboven niet meer. Kouwenhoven: “Het is het kookpunt van de supergeleiding. Door op dat grensgebied te experimenteren en de twee elkaar tegenwerkende effecten, die van supergeleiding en die van de kwantummechanica, als het ware met elkaar te laten concurreren, kun je interessante nieuwe natuurkundige fenomenen ontdekken.”

Tekening van ’s werelds eerste nanotransistor met een koolstof nanobuisje. (Illustratie: Tremani)

Het regent Delftse publicaties over nanotechnologie. Twee weken geleden maakte promovendus ir. Ruurd Keizer wereldkundig dat supergeleiding door magneten mogelijk is. Vorige week beschreef ir. Paul Snijders hoe elektronen die door draadjes van één atoom dikte stromen van lading veranderen. En als klap op de vuurpijl schrijven dr. Pablo Jarillo-Herrero, ir. Jorden van Dam en prof. dr.ir. Leo Kouwenhoven in het laatste nummer van ‘Nature’ dat ze supergeleiding door een koolstof nanobuisje hebben waargenomen. Vastberaden, waarschuwt Kouwenhoven dat hn ontdekking, geen enkele praktische waarde heeft. Dit in tegenstelling tot veel ander Delfts werk dat moet leiden tot de vervaardiging van ultrakleine computerchips en uiteindelijk de supersnelle kwantumcomputer waar de wereld om staat te springen.

“Nou oké, op heel lange termijn zou de supergeleidende transistor een belangrijke bouwsteen kunnen zijn van de computer van de toekomst”, zegt hij even later, waarmee hij onderschrijft wat de faculteit in een persbericht naar buiten heeft gebracht. “Maar echt spectaculair zijn de fundamentele inzichten in de kwantummechanica die we met de transistor opdoen.” Jarillo-Herrero . eerste auteur van het artikel . valt hem bij: “Met dit onderzoek leggen we de grondbeginselen van de kwantummechanica bloot.”

De uit Spanje afkomstige Jarillo-Herrero promoveerde vorig jaar cum laude bij de faculteit Technische Natuurwetenschappen, en heeft inmiddels met drie ‘Nature’-publicaties een aardige wetenschappelijke reputatie opgebouwd. Met zijn laatste werk gaat hij de boeken in als degene die als eerste een supergeleidende nanotransistor heeft gemaakt met een koolstof nanobuisje. Dit molecuul, van enkele honderden nanometers lang en slechts één nanometer dik, werkt als een soort schakelaar tussen twee supergeleidende draden. Hij kan afhankelijk van de spanning waaraan hij wordt blootgesteld, supergeleidend zijn of juist geen enkel elektron doorlaten. Tot nu toe werden nanotransistoren gemaakt met een veel groter stuk materiaal als schakelaar. Het koolstof nanobuisje is zo klein, dat zijn elektrische eigenschappen afwijken van de reguliere natuurkundewetten. “Het buisje wordt in de nanotechnologie ook wel ‘quantum dot’ genoemd”, zegt Jarillo-Herrero. “Dit zijn zodanig kleine structuren dat ze zich gedragen als kunstmatige atomen.”
Schoonheid

Simpel gezegd betekent dit afwijkende gedrag dat de elektronen slechts in een aantal verschillende energietoestanden door het molecuul kunnen stromen. Wijzig je de spanning op de nanobuis, dan verspringen de elektronen automatisch mee naar een ander energieniveau. In grotere materialen gedragen elektronen zich heel anders. Ze kunnen zich dan in een oneindige hoeveelheid verschillende energieniveaus bevinden en als zodanig door materialen heen stromen.

“Het is een ontdekking waarvan iedereen die enigszins natuurkundig is onderbouwd de schoonheid moet inzien”, zegt Jarillo-Herrero vol overtuiging. Kouwenhoven legt uit waarom: “Wat de ontdekking zo bijzonder maakt is dat we ons bevinden op het grensgebied van twee werelden. Aan de ene kant die van de supergeleiding en aan de andere kant die van de kwantummechanica. Die bijten elkaar. Supergeleiding vindt normaal gesproken plaats in bulkstructuren. Naarmate structuren kleiner worden, neemt de weerstand toe. Maar wat we hier zien is dat de elektronen ongehinderd door een molecuul stromen als de aangebrachte spanning maar juist is. Het komt erop neer dat de twee supergeleiders en het nanobuisje één kwantummechanisch systeem vormen.”

Het experimentele werk bevindt zich voor nog een andere reden op het grensgebied van twee werelden. De proef vond plaats bij een temperatuur van één Kelvin. Onder die temperatuur is supergeleiding mogelijk en daarboven niet meer. Kouwenhoven: “Het is het kookpunt van de supergeleiding. Door op dat grensgebied te experimenteren en de twee elkaar tegenwerkende effecten, die van supergeleiding en die van de kwantummechanica, als het ware met elkaar te laten concurreren, kun je interessante nieuwe natuurkundige fenomenen ontdekken.”

Tekening van ’s werelds eerste nanotransistor met een koolstof nanobuisje. (Illustratie: Tremani)