Fysici tellen elektronen één voor één bij kamertemperatuur
Onderzoekers van de Stichting FOM en de Technische Universiteit Delft (TUD) hebben een enkel-elektron transistor gemaakt die werkt bij kamertemperatuur. In zo'n type transistor kan de lading met een precisie van één elektron worden gecontroleerd De transistor bestaat uit een koolstof nanobuis die door de onderzoekers twee keer geknikt is. Het kritische deel ervan is slechts 20 nanometer lang en 1 nanometer breed (1 nanometer is één miljoenste millimeter). In de geknikte nanobuis blijken opeenvolgende elektronen niet, zoals gebruikelijk bij dit soort schakelingen, volkomen onafhankelijk van elkaar te bewegen over de twee knikken, maar ze lopen mooi met elkaar in de pas. Natuurkundigen noemen dat gecorreleerd tunnelen en dat was nog niet eerder waargenomen. De onderzoekers beschrijven hun bevindingen in Science van 6 juli aanstaande.
De elektronische schakelingen in het dagelijks leven worden alsmaar kleiner om hogere snelheden mogelijk te maken. Ontwerpers maken nu echter nog steeds gebruik van klassieke verschijnselen die slechts bij grote afmetingen geldig zijn. Op kleinere schaal gaan onvermijdelijk quantumeffecten een rol spelen. In plaats van te proberen deze effecten te omzeilen, kan men ze ook gebruiken om werkzame schakelingen (meestal devices genoemd) te bouwen. Een voorbeeld van een dergelijke schakeling is een zogenaamde enkel-elektron transistor (Single-Electron Transistor, ofwel SET). Er zijn in het verleden al SETs gemaakt, maar die werken meestal alleen bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt. Hoe kleiner het device is, hoe hoger de temperatuur waar de SET nog werkt. Met superkleine korreltjes metaal was al een enkel voorbeeld van een SET op kamertemperatuur gerealiseerd, maar de eigenschappen van deze transistoren zijn zeer moeilijk te controleren. In plaats daarvan lijkt het beter om individuele geleidende moleculen te gebruiken, omdat deze welgedefinieerde afmetingen en eigenschappen hebben. In het artikel in Science beschrijven de onderzoekers (FOM-promovendus Henk Postma, Tijs Teepen, Zhen Yao, Milena Grifoni en Cees Dekker van de TU Delft) hoe ze voor het eerst zo'n moleculaire SET hebben gerealiseerd met een koolstof nanobuis; dat is een cilindrisch bouwwerk van koolstofatomen en dus een molecuul.
Nanobuis knikken
Het transistoreffect in de één nanometer brede koolstof nanobuis wordt veroorzaakt door er een dubbele knik in aan te brengen. Dat doen de onderzoekers door met de scherpe punt van een zogenaamde atomaire-krachtmicroscoop (een zusje van de bekende scanning tunneling microscoop) eerst aan één kant tegen de buis te duwen en vervolgens iets verderop aan de andere kant. Door de knikken vermindert de elektrische geleiding daar ter plekke en wordt een eiland van 20 nanometer lang gecreëerd waarbinnen elektronen vastgehouden worden. Om een stroom te laten lopen, moet het eiland aan de ene kant met elektronen geladen worden terwijl het aan de andere kant ontladen wordt. Voor een zeer klein eilandje echter, kost het opladen met al één enkel elektron zó veel energie, dat een stroom door het device door de wet van Coulomb niet is toegestaan. Het opladen kan echter worden beïnvloed met een spanning op een extra geleidend oppervlak in de buurt. Als functie van deze spanning kan er dan wel een stroom lopen, en kunnen elektronen één voor één worden toegelaten tot het eiland.
Nieuw fysisch effect
Naast deze mooie toepassing laat de transistor ook een nieuw fysisch effect zien. In een conventionele SET beweegt een elektron dat het eiland opgaat onafhankelijk van het elektron dat het eiland verlaat. De metingen die nu aan de dubbelgeknikte koolstofbuis zijn gedaan, laten zien dat de elektronen in dit geval mooi in de pas het eiland betreden en verlaten. Quantummechanisch heet zoiets gecorreleerd tunnelen en het is voor het eerst dat dit bij een één-elektron transistor is waargenomen. Zo levert het zoeken naar functionele moleculaire schakelingen ook nog interessante fundamentele wetenschap op.
Meer informatie bij prof.dr. C. Dekker, telefoon (015) 278 60 94, fax (015) 278 12 02 of (015) 278 3251, e-mail: dekker@mb.tn.tudelft.nl of drs. Henk Postma, telefoon (015) 278 10 25, e-mail: postma@mb.tn.tudelft.nl.