Groningse wetenschappers hebben een verklaring gevonden voor een mysterie dat de natuurkundegemeenschap al sinds 1995 in verwarring brengt. In het wetenschappelijke tijdschrift Natuur op donderdag 28 augustus (Advance Online Publicatie), ze verklaren waarom elektronen minder soepel door zeer kleine draadjes gaan (bekend als kwantumpuntcontacten) dan verwacht. De observaties van de groep onder leiding van Prof. C.H. van der Wal van het Zernike Institute for Advanced Materials van de Rijksuniversiteit Groningen gaat elektronica op nanoschaal beïnvloeden:"Ons denken hierover is tot nu toe te naïef geweest."

Het mysterie betreft nanodraden van zo'n honderd atomen breed. Al in 1988, de Nederlandse natuurkundige Bart van Wees, momenteel hoogleraar aan het Zernike Instituut, ontdekte een opmerkelijk effect in dit soort draad. Toen hij ze breder maakte, de stroom nam niet geleidelijk toe, maar stapsgewijs. Van der Wal:'Dat zou kunnen worden verklaard door kwantumeffecten die in de draden optraden. Er is een formule die precies beschrijft hoe deze stappen verlopen.'

Onverwachte piek

Echter, bij de eerste stap, met de dunste draden, een kleine uitzondering in de geleidelijke toename werd consequent gevonden. 'Je ziet een onverwachte piek, waarna de geleiding een tijdje minder snel toeneemt dan verwacht. Dit werd al opgemerkt in de eerste publicatie hierover van Van Wees, maar aanvankelijk dachten onderzoekers dat de inconsistentie te wijten was aan kleine defecten in het gebruikte materiaal.' In 1995 werd aangetoond dat dit niet het geval was. 'De piek was echt, wat betekende dat er fysieke processen plaatsvonden die we niet goed begrepen.' Er zijn honderden publicaties verschenen over het fenomeen, bekend als 'Zero Bias Anomaly' (ZBA), maar niemand kon achterhalen wat de oorzaak was.

Een paar jaar geleden, een van de promovendi van Van der Wal maakte een aantal van dit soort kwantumdraad. 'Ze waren bedoeld voor een heel ander soort onderzoek. Echter, we zagen de piek en enkele andere interessante trends.' Van der Wal besloot een apart onderzoeksproject op te zetten.

bergpas

Een Pakistaanse promovendus, Javaid Iqbal, creëerde een groot aantal van dit type kwantumdraad. Naast de 'gewone' draden waarvan de breedte aanpasbaar is, hij maakte ook draden waarvan de lengte kon worden gevarieerd. de draden, Opmerkelijk, zijn heel anders dan de klassieke elektriciteitsdraden uit ons dagelijks leven (een geleidende kern omgeven door isolatiemateriaal), maar bestaan ​​uit een halfgeleider waarop elektroden de rand van een minuscuul kanaaltje sturen. De elektroden creëren een 'zadelpuntpotentiaal', een soort kleine bergpas waar de elektroden aan weerszijden steile wanden aansturen.

Van der Wal:'We zagen de piek die iedereen aantrof. Maar toen we de spanning over de draad verhoogden, ineens was er een dubbele piek. Anderen hadden dit ook opgemerkt, maar ze dachten dat het aangaf dat hun draad niet meer goed functioneerde.' Door onder uiterst gecontroleerde omstandigheden te werken, een fractie boven het absolute nulpunt, met behulp van extreem zuiver materiaal en door het testen van een groot aantal draden, De groep van Van der Wal heeft kunnen bewijzen dat het fenomeen echt is. 'En we ontdekten dat het uiterlijk van de ZBA niet alleen afhankelijk was van de spanning, maar ook op de lengte van de draad.'

Veel lichaamsfysica

Van der Wal nam contact op met theoretisch natuurkundigen die al jaren aan de ZBA werkten, vooral een groep in Israël die het bestaan ​​van een dubbele piek had voorspeld. 'Maar ze hadden niet voorspeld dat het ook van de lengte afhing.' Samen met collega's uit Duitsland en Spanje, ze hebben een verklaring voor het fenomeen gevonden. 'We denken nu dat elektronen vast komen te zitten bovenop de 'bergpas' die de kwantumdraad vormt, ', legt Van der Wal uit.

Elektronen die door de draad stromen, gedragen zich als kwantumgolven. 'Ze slaan tegen de muren, en soms reflecteren vanaf de flanken van de bergpas. Ze voelen ook elkaars aanwezigheid.' Dit resulteert in een complexe interactie van verschillende fysieke verschijnselen. 'We noemen dit 'veel lichaamsfysica'. Het is erg ingewikkeld. Je kunt niet beschrijven hoe alle interacties verlopen met een enkele, eenvoudige formule.' Echter, het uiteindelijke resultaat is dat een elektron vastzit bovenop de bergpas of, in de woorden van de fysici, wordt gelokaliseerd. Dit beïnvloedt de geleidbaarheid van de draden en resulteert in de vreemde pieken. 'En met langere draden kunnen twee of meer elektronen gelokaliseerd worden, wat resulteert in dubbele of zelfs driedubbele pieken.'

Ingewikkelder

'Wat we nu weten is dat het gedrag van elektronen in dit soort kwantumdraad veel complexer is dan we dachten. Dat heeft allerlei consequenties.' De kenmerken van elektronen die door zo'n draad gaan, bijvoorbeeld hun spin (de precessiebeweging van elektronen), kan veranderen in de draad. 'Dat is iets waar je rekening mee moet houden.' De kwantumdraden worden vaak gebruikt in onderzoek, bijvoorbeeld bij het maken van Quantum Dots (gebruikt als bits bij het bouwen van een kwantumcomputer).

Evenals het artikel van Van der Wal en zijn collega's, Natuur zal donderdag nog een artikel op ZBA publiceren, met veel van dezelfde conclusies. 'Het mysterie is daarmee zo goed als opgelost. De laatste details zullen interessante discussies opleveren, Hoewel', merkt Van der Wal enthousiast op.