Natuurkundigen van de Universiteit Utrecht hebben een 'kwantumsimulator, ' een modelsysteem om theoretische prognoses te bestuderen voor een geheel nieuwe klasse materialen. Deze 'supermaterialen' zijn onder meer grafeen, die een tweedimensionale structuur en unieke kenmerken heeft. De experimenten in Utrecht bevestigen niet alleen de voorspellingen van de theoretische natuurkundigen, maar leverde ook nieuwe inzichten op. Ze hebben ontdekt dat bij hogere energieniveaus, een eenvoudig rechthoekig rooster heeft kenmerken die normaal alleen in exotische materialen worden waargenomen. De resultaten van hun onderzoek zijn gepubliceerd in Natuurfysica van 24 april 2017.

De eigenschappen van een materiaal worden bepaald door de atomen waaruit het is samengesteld, en hoe ze zijn georganiseerd. Berekeningen uitgevoerd door theoretische fysici tonen aan dat in bepaalde tweedimensionale structuren, atomen kunnen zo worden georganiseerd dat een breed scala aan superkenmerken kan worden bereikt. Tot nu, dit onderzoek is beperkt gebleven tot theoretische voorspellingen - veel van de roosters die de natuurkundigen bedachten, bestonden eenvoudigweg niet in de natuur, ze zijn ook niet in het laboratorium geproduceerd. Echter, met behulp van de methode ontwikkeld door de fysici in Utrecht, deze resultaten kunnen nu experimenteel worden getest.

Tweedimensionaal kristal van elektronen

"Het basisidee is dat we een tweedimensionaal kristal van elektronen kunnen maken in elke vorm die we willen, " legt onderzoeksleider Ingmar Swart uit. "Daarmee kunnen we nauwkeurig de eigenschappen van het kristal bepalen, die ons in staat stelt om experimenten uit te voeren op veel van de ideeën van onze theoretische collega's."

Swart en zijn team hebben zo'n rooster van enkele tientallen nanometers breed gemaakt op een koperkristal. Het oppervlak van het kristal bevat een groot aantal elektronen, die in bepaalde posities op het oppervlak worden gedwongen door met atomaire precisie een rooster van koolmonoxidemoleculen te bouwen. "De manier waarop we dat doen, is te vergelijken met een vinger die een pepermuntsnoepje heen en weer duwt over een tafel. Maar in dit geval, de vinger is een naald met een punt die niet groter is dan een enkel atoom, ' legt Swart uit.

De resultaten tot nu toe laten zien dat de theoretische voorspellingen redelijk accuraat zijn. Echter, de experimenten hebben ook een fenomeen aan het licht gebracht waar de theoretische fysici nog niet aan hadden gedacht, en die nieuwe toepassingen kunnen opleveren.

Bij hogere energieniveaus, een eenvoudig rechthoekig raster lijkt te veranderen in een structuur die bekend staat als een 'Lieb-rooster'. "Dit Lieb-rooster is het echte rooster voor bepaalde supergeleiders bij hoge temperatuur. Het is daarom van vitaal belang dat we de kenmerken en het gedrag van elektronen in dit rooster begrijpen, " legt theoretisch fysicus prof. Cristiane Morais Smith uit.

Er is nog een lange weg te gaan van dit modelsysteem naar nieuwe supermaterialen zoals grafeen. "Maar ons systeem is een soort 'kwantumsimulator', ' waarmee we nieuwe theoretische ideeën kunnen testen met de optimale mate van flexibiliteit, ', zegt Morais Smith.