Elektrische eigenschappen van afzonderlijke atomen onthuld

De elektronische industrie slaagt erin de afmetingen van de componenten voor schakelelementen op chips voortdurend kleiner te maken. Hierdoor verdubbelt het aantal schakelelementen op één enkele chip elke twee jaar. Deze gestage vooruitgang, die al drie decennia doorgaat, heeft het mogelijk gemaakt dat men tegenwoordig enkele tientallen miljoenen transistoren op één chip kan fabriceren. De breedte van een elektrische verbindingsdraad op een massaproduct zoals geheugenchips nadert al een afmeting van slechts 500 atomen. Het maken van schakelelementen met afmetingen van slechts enkele atomen lijkt dus in zicht te komen. Hoewel massafabricage van dergelijke uiterst kleine elektronische schakelingen niet op afzienbare termijn valt te verwachten, worden in diverse laboratoria wel al structuren op de schaal van atomen gebouwd en onderzocht. Met moderne technieken, gebaseerd op de zogenaamde raster tunnel microscoop, is manipulatie van individuele atomen mogelijk.

De weerstand van één atoom
Aan de Rijksuniversiteit Leiden zijn de eigenschappen van elektrische contacten van een enkel atoom onderzocht. Al eerder werd aangetoond dat de elektrische weerstand van een contact dat bestaat uit slechts één goudatoom een universele waarde van 12.900 ohm heeft. Deze waarde wordt volledig bepaald door de quantummechanische eigenschappen van de elektronen op deze schaal; de gewone weerstandswetten¹⁾ zoals die op school worden geleerd, gelden bij deze afmetingen niet meer. Het bijzondere gedrag van elektrische geleiders op atomaire schaal wordt verder geïllustreerd door het feit dat men, naar verhouding van de doorsnede van de geleider, ruim een miljoen maal méér stroom door één atoom kan sturen dan door een gewone elektriciteitsdraad.

In een samenwerking met onderzoekers in Madrid en Saclay nabij Parijs hebben dr. Jan van Ruitenbeek van de Rijksuniversiteit Leiden en FOM-onderzoeker drs. Bas Ludoph nu laten zien dat de weerstand van een enkel atoom bepaald wordt door de chemische eigenschappen van het atoom. De chemische valentie, hetgeen ruwweg overeenkomt met het aantal chemische bindingen dat een atoom kan vormen, bepaalt de elektrische weerstand. De valentie van goud bedraagt slechts één; de onderzoekers zeggen nu dat een goudatoom slechts één enkel 'kanaal' heeft voor de stroomgeleiding. Dit kanaal heeft de bovengenoemde weerstand van 12.900 ohm. Een atoom van het metaal lood is een betere geleider en heeft drie geleidingskanalen, terwijl in het dagelijkse leven lood de elektrische stroom tien keer slechter geleidt dan goud. Een atoom van het metaal niobium heeft zelfs vijf geleidingskanalen.

Waarnemingen bevestigen theorie
De resultaten van dit onderzoek worden beschreven in een publicatie in Nature van 9 juli. In het artikel wordt een theoretische beschrijving van dit fenomeen gegeven, in combinatie met een serie experimentele waarnemingen die deze theorie bevestigen. Het blijkt niet zo eenvoudig om het aantal geleidingskanalen per atoom experimenteel vast te stellen.

De onderzoekers vormden daartoe een contact van één atoom tussen twee supergeleiders en koelden dit contact af tot zeer lage temperaturen. Onder die omstandigheden wordt een aantal karakteristieke stappen in de stroom zichtbaar wanneer de spanning over het contact wordt opgevoerd. Aan de hand hiervan bleek het mogelijk het aantal geleidingskanalen eenduidig te tellen. Deze waarnemingen hebben vooralsnog alleen wetenschappelijke waarde. Ze onthullen een niet eerder waargenomen eigenschap van atomen.

Voor verdere informatie kan men terecht bij dr. J.M. van Ruitenbeek, Kamerlingh Onnes Laboratorium, Rijksuniversiteit Leiden, telefoon (071) 527 54 50, fax (071) 527 54 04.

¹⁾ In het dagelijkse leven geldt dat de weerstand van een draad voor de geleiding van elektriciteit steeds groter wordt, naarmate je de draad dunner en langer maakt. Als de draad zo dun wordt dat hij nog slechts enkele atomen dik is, gaan de wetten van de quantummechanica overheersen. De weerstand of het vermogen om elektrische stroom te geleiden, blijkt dan alleen nog afhankelijk van de zogeheten constante van Planck (h) en de lading (e) van het elektron, in formule geschreven als h/2e², en dit is gelijk aan 12.900 ohm.