Print deze pagina 1 juni 1999 1999/02

Nieuw: de ballistische Hall-magnetometer

Promotie Sjoerd Lok, Katholieke Universiteit Nijmegen, 1 juni 1999.
In de fysica is 'tweedimensionaal elektronengas' een bekende term. Het betekent dat elektronen slechts in één vlak kunnen bewegen. Technisch wordt dat gerealiseerd door twee verschillende halfgeleidende materialen op elkaar aan te brengen. Aan het grensvlak van de materialen ontstaat een klein potentiaalputje waardoor de beweging van de elektronen loodrecht op dit grensvlak wordt beperkt. Langs het grensvlak echter kunnen de elektronen volledig vrij bewegen. Wanneer ze dat doen zonder over (relatief) lange afstanden met andere deeltjes te botsen, wordt hun beweging ballistisch genoemd.

Door een kleine elektrische spanning tussen twee punten in het vlak van het tweedimensionale elektronengas aan te leggen, gaat er een stroompje lopen langs de verbindingslijn tussen deze punten. Als er nu een (klein) magneetveld aangelegd wordt in de richting loodrecht op het tweedimensionale elektronenengas, verandert ten gevolge van de Lorentz-kracht in eerste instantie de bewegingsrichting van de elektronen. Zij zullen iets afgebogen worden van de verbindingslijn tussen de punten, totdat ze de rand van het tweedimensionale elektronengas bereiken. Aan de rand ontstaat zo een opeenhoping van lading, die op zijn beurt de elektronen iets terugduwt in hun oorspronkelijke richting. Dit gaat net zolang door totdat het stroompje weer langs de verbindinglijn tussen de punten loopt. De opeenhoping van lading langs de rand van het tweedimensionale elektronengas vindt dus plaats in de richting loodrecht op het stroomje. Zij veroorzaakt een redelijk meetbaar spanningsverschil over de randen van het tweedimensionale elektronengas. Door dit spanningsverschil te meten (Halleffect), kan de 'hoeveelheid' magneetveld (flux) die door het tweedimensionale elektronengas heenprikt, worden uitgerekend.

Sjoerd Lok heeft dit principe nu toegepast in een minuscuul kleine halfgeleiderstructuur. In het vlak van het tweedimensionale elektronengas is een heel smal kanaaltje gemaakt (1 miljoenste meter breed) met een aantal aftakkingen loodrecht daarop (zie foto). Bij het maken van deze structuur heeft Lok de onmisbare hulp gehad van Sergei Dubonos van het Instituut voor Microelektronische Technologie in Tsjernovolovka in Rusland. De afstanden die de elektronen hier zonder te botsen kunnen afleggen bedragen 1 tot 3 miljoenste meter.
Wanneer er een stroom door het smalle kanaalje wordt gestuurd, zorgt het Halleffect ervoor dat er een spanning wordt opgewekt in de aftakking er dwars op. In aanwezigheid van een magneetveld is de spanning in het dwarskanaal evenredig met de totale magnetische flux door het oppervlak dat gevormd wordt door het kruispunt van het kanaaltje en de aftakking. Veranderingen in de magnetische flux leiden tot gemakkelijk waarneembare veranderingen in de Hallspanning. Zo kan Lok dus op de kruispunten minieme veranderingen in de magnetische flux onderzoeken.

De halfgeleiderstructuur noemt Lok een ballistische Hall-magnetometer. Het is een heel nieuwe niet-verstorende techniek om onderzoek te doen aan de magnetische eigenschappen van afzonderlijke, extreem kleine deeltjes die precies bovenop de kruispunten zijn geplaatst. Op de foto (die als een luchtopname onder een hoek is genomen!) zijn vier nikkelschijfjes te zien, waarvan de kleinste een doorsnede heeft van slechts 100 nanometer. De hoogte van de schijfjes is 80 nanometer. Met deze speciale techniek is het mogelijk geworden om met een goede resolutie magnetisatie te meten van deeltjes die slechts enkele picogrammen (10^-12 kg) wegen.

Wanneer een materiaal supergeleidend is, drijft het in een magneetveld de veldlijnen uit. Dat verschijnsel heet het Meissnereffect en is dé bepalende eigenschap van een supergeleider. De laatste jaren is ontdekt dat het omgekeerde ook kan gebeuren: een supergeleider die juist een magnetisch veld aantrekt. Met behulp van de ballistische Hall-magnetometer heeft het Nijmeegse onderzoekteam dit raadsel grotendeels kunnen oplossen.

Sjoerd Lok, Probing (with) a two dimensional electron gas, Katholieke Universiteit Nijmegen, 1 juni 1999, promotor prof.dr.ir. J.C. Maan, co-promotor dr. A.K. Geim.