Flipperen met atomen
Onderzoekers van het MESA+ Instituut van de Universiteit Twente en de Stichting FOM hebben een soort atomaire flipperkast gemaakt. Twee paren moleculen van elk twee atomen trillen op een manier die doet denken aan de flippers in een flipperkast. De bevindingen van de onderzoekers verschenen op 10 september online bij het tijdschrift Nano Letters en zullen binnenkort het omslagverhaal van dat tijdschrift vormen. De experimenten bieden een blik op manipuleerbare bewegingen van de kleinste moleculen. De resultaten zijn van belang omdat het maken van elektronische schakelingen van slechts enkele atomen alleen maar zin heeft als die atomen zich naar wens gedragen. Ongecontroleerde verplaatsing van één atoom kan de werking van de schakeling meteen drastisch veranderen.
Als je onder ultrahoog vacuüm platina-atomen aanbrengt op een ondergrond van een germanium (001) kristaloppervlak en je laat de temperatuur stijgen, dan ontstaan lange rechte draden van maar één atoom breed. Daarmee is dit een dankbaar modelsysteem om het gedrag van atoomdraden te bestuderen. Dergelijke draden kunnen een enorme verscheidenheid aan verschijnselen vertonen. In dergelijke draden hebben de atomen de neiging paren te vormen, zogeheten dimeren.
Onderzoekers in de groep van Harold Zandvliet van de Universiteit Twente, experts in atomaire draden, hebben nu ontdekt dat onder bepaalde omstandigheden sommige van deze dimeren in beweging gebracht kunnen worden. Eén van de twee atomen van dimeer staat daarbij stil, terwijl het andere atoom gaat bewegen. Datzelfde geldt ook voor het naburige dimeer. Deze beweging blijkt nu met behulp van een elektrische stroom door een scanning tunneling microscoop (STM) te sturen. Een STM bestaat in wezen uit een ragfijn naaldje dat aan zijn uiteinde maar één atoom dik is en heel dicht over een oppervlak wordt geleid. Met een klein spanningsverschil tussen het oppervlak en de punt van de naald kan de vorm van het oppervlak tot op afzonderlijke atomen nauwkeurig worden bepaald. Dat maakt het ook mogelijk de beweging van atomen te registreren. De metingen wijzen uit dat de paren samen zes verschillende trillingsbewegingen kunnen uitvoeren. Er is één soort beweging waarbij één dimeer flippert, terwijl de andere stilstaat; deze trillingsbeweging is in vier varianten mogelijk. Bij een andere beweging flipperen de beide dimeren in fase of uit fase. Samen zijn dat dus zes verschillende trillingsmodi. De bewegingen van de paren doen denken aan die van de flippers in een flipperkast. De metingen met de scanning tunneling microscoop verraden de bewegingen wel, maar ze zijn zelf te snel om afzonderlijk afgebeeld te worden door de microscoop.
Door de tunnelstroom die tussen de STM naald en het oppervlak vloeit iets te variëren, kunnen de onderzoekers de flipperfrequentie instellen. Vloeit er geen stroom, dan bewegen beide flippers niet. Of het flipperen ook voor toepassingen kan worden gebruikt, is overigens zeer de vraag. Het belang zit hem in de mogelijkheid met dit systeem aspecten van het gedrag van dimeren in atomaire nanodraden te bestuderen.
Meer informatie bij prof.dr. Harold Zandvliet, telefoon (053) 489 30 91.
Referentie:
Amirmehdi Saedi, Arie van Houselt*, Raoul van Gastel, Bene Poelsema en Harold Zandvliet, 'Playing pinball with atoms', Nano Letters, binnenkort te verschijnen.
*FOM-onderzoeker