Licht op twintig jaar oud raadsel
Groningse wetenschappers hebben een verklaring gevonden voor een raadsel dat de natuurkundige gemeenschap al sinds 1995 bezighoudt. Op 28 augustus 2013 verklaren zij in een online publicatie van Nature waarom elektronen minder soepel dan verwacht door zeer kleine draadjes (zogeheten kwantum-punt-contacten) heen gaan. De bevindingen van de groep van oud FOM-promovendus prof.dr.ir. Caspar van der Wal hebben gevolgen voor elektronica op nanoschaal: "We hebben daar tot nu toe te naïef over gedacht".
Het raadsel doet zich voor in nanodraadjes die zo'n honderd atomen breed zijn. Al in 1988 ontdekte FOM-werkgroepleider Bart van Wees een opvallend effect in dit soort draadjes. Wanneer hij ze breder maakte, nam de stroom niet evenredig toe, maar in sprongetjes. Van der Wal: "Dat bleek te verklaren door kwantumeffecten die optreden in de draadjes. Er is een formule die precies beschrijft hoe die stapjes verlopen".
Onverwacht piekje
Alleen, in het eerste stapje, bij de dunste draadjes, werd consequent een kleine afwijking van de stapsgewijze toename gevonden. "We zien een onverwacht piekje, waarna de geleiding even minder snel dan verwacht toeneemt. Dat was al te zien in de eerste publicatie hierover door Van Wees, maar in eerste instantie dachten onderzoekers dat die onregelmatigheid te wijten was aan kleine defecten in de gebruikte materialen." Pas in 1995 is aangetoond dat dit niet zo is. "De piek was echt, wat betekende dat er natuurkundige processen optraden die we niet goed begrepen." Er volgden honderden publicaties over het fenomeen, dat 'Zero Bias Anomaly' (ZBA) werd genoemd, maar niemand kreeg een vinger achter de oorzaak.
Een aantal jaren geleden maakte een promovendus van Van der Wal een aantal van dit soort kwantumdraadjes. ‘Die waren bedoeld voor een heel ander type onderzoek. Maar we zagen het piekje en wat andere interessante trends.’ Van der Wal besloot er een apart onderzoeksproject van te maken.
Bergpas
Promovendus Javaid Iqbal maakte een groot aantal van dit soort kwantumdraadjes. En naast de 'gewone' draadjes waarvan de breedte is aan te passen, maakte hij ook draadjes waarvan de lengte is te variëren. De draadjes zijn trouwens geen klassieke stroomdraadjes (een geleidende kern met isolatie er omheen), maar bestaan uit een (half)geleider waarop elektroden een smal kanaal begrenzen. Die elektroden zorgen voor een 'zadelpuntpotentiaal', een soort smalle bergpas waarbij de elektroden aan weerszijde steile bergwanden maken.
Van der Wal: "We zagen de piek die anderen ook vonden. Maar wanneer we de spanning over het draadje opvoerden, ontstond er ineens een dubbele piek. Anderen hadden dat ook wel waargenomen, alleen dachten zij dat dit er op duidde dat hun draadje niet goed meer werkte". Door onder zeer gecontroleerde omstandigheden, een fractie boven het absolute nulpunt, te werken, uiterst zuiver materiaal te gebruiken en een groot aantal draadjes te testen, wist de groep van Van der Wal aan te tonen dat het fenomeen echt was. "En we ontdekten dat de verschijning van de ZBA niet alleen afhing van de spanning, maar ook van de lengte van het draadje."
Many body physics
Van der Wal nam contact op met theoretisch natuurkundigen die zich al jaren met de ZBA bezighielden, vooral met één groep in Israël die het bestaan van een dubbele piek had voorspeld. "Maar dat die ook afhing van de lengte, hadden ze niet voorzien." Samen met collega's uit Duitsland en Spanje werd een verklaring gevonden voor het fenomeen. "We denken nu dat er elektronen vast komen te zitten bovenop de 'bergpas' die het kwantumdraadje vormt", legt Van der Wal uit.Elektronen die door het draadje stromen gedragen zich als golven. "Die kaatsen tegen de wanden, en kaatsen soms ook terug van de helling van de bergpas. Daarnaast voelen ze elkaars aanwezigheid." Hierdoor ontstaat een complexe interactie van verschillende natuurkundige fenomenen. "We noemen dat 'many body physics'. Die is zeer complex. Je kunt niet met één simpele formule beschrijven hoe alle interacties verlopen. Maar het eindresultaat is dat een elektron bovenop de bergpas vast komt te zitten of, zoals natuurkundigen het uitdrukken, gelokaliseerd raakt. Dit beïnvloedt de geleiding van de draadjes en zorgt voor de merkwaardige pieken. ‘En bij langere draadjes kunnen er twee of meer elektronen gelokaliseerd raken, wat dubbele of zelfs driedubbele pieken oplevert."
Complexer
"Wat we nu weten is dat het gedrag van elektronen in dit soort kwantumdraadjes veel complexer is dan we dachten. Dat heeft allerlei gevolgen." De karakteristieken van elektronen die door zo’n draadje gaan, zoals hun spin (tolbeweging) kunnen in het draadje veranderen. "Daar zal je dus rekening mee moeten houden." De kwantumdraadjes worden veel gebruikt in onderzoek, bijvoorbeeld bij het maken van quantum dots (gebruikt als bits voor het bouwen van een kwantumcomputer).
Het werk bouwt verder op een FOM-onderzoek uit 2008, van onder andere FOM-promovendus en co-auteur Erik Koop. Naast het artikel van Van der Wal en zijn collega's publiceert Nature donderdag nog een artikel over de ZBA met voor een groot deel dezelfde conclusies. "Daarmee is het raadsel grotendeels opgelost. Maar de laatste details zullen nog wel wat interessante discussies geven", merkt Van der Wal enthousiast op.
Contact
Prof.dr.ir. Caspar van der Wal, homepage
Referentie
Odd and even Kondo effects from emergent localization in quantum point contacts, M. J. Iqbal, Roi Levy, E. J. Koop, J. B. Dekker, J. P. de Jong, J. H. M. van der Velde, D. Reuter, A. D. Wieck, R. Aguado, Yigal Meir and C. H. van der Wal, DOI:10.1038/nature12491