Elektrische eigenschappen atomaire draden ontward
FOM-onderzoekers in het Kavli Instituut voor Nanoscience in Delft hebben in samenwerking met de Universiteit van Tennessee in Knoxville (VS) in kaart gebracht hoe elektronen in een atomaire draad zich gedragen. Dergelijke draden van slechts één atoom breed zijn een bron van fundamentele kennis over elektrische geleiding en bieden perspectief op een nieuwe generatie chips die vele malen kleiner zijn dan de huidige generatie. Het was al bekend dat elektronen in atomaire draden zich op een slimme manier organiseren. De Delftenaren hebben nu ontdekt dat elektronen dit in één atomaire draad op verschillende manieren kunnen doen. Daarnaast zijn de onderzoekers erin geslaagd om een fundamenteel quantummechanische eigenschap van ultrakleine stroomdraden op lokaal niveau zichtbaar te maken met een scanning tunneling microscoop. Deze vondst is van groot belang voor het onderzoek naar ultrakleine chips waarin de wetten van de quantummechanica allesbepalend zijn. De resultaten worden in de week die eindigt op 24 februari 2006 gepubliceerd in het toonaangevende tijdschrift Physical Review Letters. Daarnaast worden de resultaten in maart gepresenteerd op een conferentie van de American Physical Society.
Atomaire draden staan in de belangstelling vanwege hun afmetingen: een atoom is typisch niet veel groter dan 0,5 nanometer (een nanometer is een miljardste meter). Afhankelijk van hun eigenschappen zouden ze dienst kunnen doen als verbindingsdraadjes in toekomstige ultrakleine computerchips op atomaire of moleculaire schaal. Onderzoekers en technici kunnen zelf met een scanning tunneling microscoop atomen op een rijtje leggen, maar het is slimmer om atomaire draden te maken door de natuur zelf het werk te laten doen, via het principe dat zelf-organisatie genoemd wordt.
De onderzoekers Paul Snijders en Sven Rogge uit Delft en Hanno Weitering uit Knoxville, Tennessee hebben op deze manier atomaire draden gemaakt. In ultra-hoog vacuüm hebben ze goudatomen verdampt en terecht laten komen op een speciaal siliciumoppervlak. Dit oppervlak is doelbewust scheef uit een siliciumkristal gezaagd zodat er een regelmatige 'trap' ontstaat van atoomvlakken die aan het oppervlak komen. Het blijkt dat op deze manier de goudatomen netjes in rijtjes gaan liggen evenwijdig aan de treden van de trap - zo vormen zich atomaire draden die nog het meest lijken op kralenkettingen van atomen.
Elektronen in een atomaire draad
Elektronen zijn altijd negatief geladen en ontwijken elkaar daarom. In de bestudeerde atomaire draden kunnen ze dat echter niet meer omdat de diameter van de draad, één atoom breed, daarvoor te klein is. Een fenomeen dat zich kan voordoen in zulke draden is de vorming van een zogenaamde charge density wave (CDW) - een periodieke modulatie van de ladingsdichtheid. Elektronen groeperen zich in een ruimtelijk golvend patroon, met een golflengte die precies past bij een geheel aantal malen de atoomafstanden in de draden. Door de transformatie naar deze slimme groepering bereikt het systeem een gunstiger toestand met lagere energie; de zogenoemde 'grondtoestand' is bereikt. De metingen in Delft tonen aan dat dit niet altijd het geval is.
Twee transformaties
De onderzoekers deden hun metingen met een scanning tunneling microscoop (STM) waarmee oppervlakken kunnen worden afgebeeld met atomaire resolutie. Deze metingen hebben laten zien dat er in deze zelf-georganiseerde draden heel verrassend twee transformaties met verschillende golflengtes na elkaar plaats vinden. Bij afkoeling vanaf kamertemperatuur nemen de onderzoekers een verdubbeling van de golflengte waar. De meetresultaten laten zien dat het om een conventionele charge density wave gaat. Heel onverwacht zagen de onderzoekers bij lagere temperatuur nogmaals een transformatie in dezelfde atomaire draad, deze keer met een verdriedubbeling van de golflengte. Bij tussenliggende temperaturen zijn zelfs beide toestanden naast elkaar te zien in de draden. Het is voor het eerst dat twee opeenvolgende charge density wave-transformaties in één keten gezien worden (zie figuur 1).
Fracties van elektronen
De Delftse methode om atomaire draden met een STM te bestuderen, levert nog een uniek resultaat: de observatie van fase-slips. Dit zijn plekken waar de periodiciteit van de CDW 'een foutje maakt'. Tussen golflengtes van drie atomaire afstanden zit plotseling één periode van vier atomaire afstanden. Nobelprijswinnaar Robert Schrieffer heeft al in 1981 voorspeld dat deze 'foutjes' een lading hebben die gelijk is aan ± 1/3 of ± 2/3 van de lading van een elektron - en dat terwijl elektronen helemaal niet gesplitst kunnen worden! Ook het magnetisch moment van het elektron (spin) vertoont zulke eigenschappen; deze fase-slips hebben ofwel helemaal geen spin ofwel een halve spin (zie figuur 2). Het uitzonderlijke van deze experimenten is dat het de allereerste keer is dat zulke fractionele quantumgetallen in een ruimtelijk opgelost experiment toegankelijk zijn voor verder onderzoek.
Competing periodicities in fractionally filled one-dimensional band, P.C. Snijders, S. Rogge, H.H. Weitering, Physical Review Letters, volume 96, issue 7 (2006).
Meer informatie bij Paul Snijders (Kavli Institute of Nanoscience, Delft), telefoon: (015) 278 51 87.