Gedroomde schakelaar

In de nanowereld gebeuren dingen die in het dagelijks leven ongehoord zijn, zoals deeltjes die tegelijkertijd rechtsom als linksom draaien of deeltjes die door ondoordringbare barrières heen gaan. Dit laatste is het geval bij elektronen in minuscule supergeleidende netwerkjes. Bij 270 graden onder nul bewegen ze ongehinderd door het geleidende materiaal, ook als deze onderbroken wordt door een lege ruimte, of een dun laagje isolerend metaal. Een magnetisch veld, door onderzoekers lange tijd als grootste hindernis beschouwd, blijkt ze ook niet te stoppen.

Dit schrijven promovendus ir. Ruurd Keizer, dr. Sebastian Goennenwein, en prof.dr.ir. Teun Klapwijk van technische natuurkunde deze week in ‘Nature’.

Volgens Klapwijk is het een ontdekking die de droom van een kwantumcomputer dichterbij brengt en waarmee nog gevoeligere transistoren gemaakt kunnen worden om bijvoorbeeld hersenactiviteit te meten of magnetisme en infrarode straling in het heelal te detecteren. De achterliggende fysica van deze toepassingen is moeilijk te bevatten, ook voor nanowetenschappers. Dit blijkt maar al te duidelijk uit eerder werk van Klapwijk. In 1982 publiceerde hij een artikel over de overgang van elektronen van supergeleidend naar een ander niet-supergeleidend materiaal in het blad ‘Physical Review’, een wereldberoemd stuk dat maar liefst 1210 maal geciteerd is. De conclusie, die inmiddels in veel leerboeken staat, was verkeerd. “We sloten destijds uit dat elektronen door een magneetveld heen konden bewegen”, vertelt Klapwijk met een grote glimlach. “Maar nu blijkt dat ze dat bij een speciale vorm van supergeleiding wel degelijk kunnen.”

Om iets te begrijpen van supergeleiding moet je allereerst inzien dat een elektron niet alleen een deeltje is, dat in natuurkundeboeken altijd met een stip wordt aangegeven, maar tegelijkertijd een golf is met een bepaalde trilrichting. Zo bezien is het voor te stellen dat elektronen kleine barrières van enkele nanometers overbruggen. Door omgevingsfactoren te veranderen, waaronder de temperatuur, kan het nanocircuitje geleidend zijn of juist niet. Hiermee werkt het systeem volgens het principe van een transistor dat in alle elektronische apparatuur is verwerkt.
Elektronenpaar

Maar zo simpel is het niet. “Elektronen hebben ook een magnetisch moment”, zegt collega-onderzoeker Keizer. In de kwantummechanica wordt dit ‘spin’ genoemd. Deze eigenschap kun je het beste vergelijken met het tollen van een magneetje. De spin is de richting van de omwentelingsas, rechtsom of linksom. Bij supergeleiding bewegen elektronen altijd in paren door het geleidende materiaal, waarbij de twee elektronen meestal een tegenovergestelde spin hebben. Een van de twee elektronen heeft dan per definitie een magnetisch moment dat tegenovergesteld is aan dat van het magneetveld. Hierdoor wordt het elektronenpaar afgeremd.

Het bijzondere aan het experiment van de Delftse onderzoekers is dat zij supergeleiding hebben waargenomen met elektronen van gelijkgerichte spintoestanden. Als magneet gebruikten zij een flinterdun stukje chroomdioxide van enkele honderden nanometers breed dat zij gekregen hadden van collega’s uit Alabama die onderzochten of ze met het metaal betere harde schijven voor computerfabrikant IBM konden maken. Door ervoor te zorgen dat de magneetrichting in het chroomdioxide geleidelijk aan een beetje van richting verandert, konden de Delftenaren de elektronen zo aansturen dat een van de twee, degene met de ‘verkeerde draairichting’ eveneens bijdraait en dezelfde vorm aanneemt als zijn metgezel. Keizer: “Door te spelen met het magnetisme van het stukje metaal tussen de twee supergeleiders kan de superstroom aangepast worden. We hebben de switch nog niet onder controle, maar weten nu zeker dat het mechanisme werkt. Het is de gedroomde schakelaar in de supergeleidende elektronica van de toekomst, waarmee grensverleggende meetinstrumenten gemaakt kunnen worden.”

Supergeleidende detectoren waar de onderzoeksgroep van prof.dr.ir. Teun Klapwijk van het Kavli Instituut aan werkt, worden verwerkt in meetapparatuur om het heelal te onderzoeken. Artists impression van wat in 2011 met een diameter van veertien kilometer ‘s werelds grootste telescoop moet zijn: de Atacama Large Millimeter Array van het Europees ruimteagentschap (ESA) in Chili.

In de nanowereld gebeuren dingen die in het dagelijks leven ongehoord zijn, zoals deeltjes die tegelijkertijd rechtsom als linksom draaien of deeltjes die door ondoordringbare barrières heen gaan. Dit laatste is het geval bij elektronen in minuscule supergeleidende netwerkjes. Bij 270 graden onder nul bewegen ze ongehinderd door het geleidende materiaal, ook als deze onderbroken wordt door een lege ruimte, of een dun laagje isolerend metaal. Een magnetisch veld, door onderzoekers lange tijd als grootste hindernis beschouwd, blijkt ze ook niet te stoppen.

Dit schrijven promovendus ir. Ruurd Keizer, dr. Sebastian Goennenwein, en prof.dr.ir. Teun Klapwijk van technische natuurkunde deze week in ‘Nature’.

Volgens Klapwijk is het een ontdekking die de droom van een kwantumcomputer dichterbij brengt en waarmee nog gevoeligere transistoren gemaakt kunnen worden om bijvoorbeeld hersenactiviteit te meten of magnetisme en infrarode straling in het heelal te detecteren. De achterliggende fysica van deze toepassingen is moeilijk te bevatten, ook voor nanowetenschappers. Dit blijkt maar al te duidelijk uit eerder werk van Klapwijk. In 1982 publiceerde hij een artikel over de overgang van elektronen van supergeleidend naar een ander niet-supergeleidend materiaal in het blad ‘Physical Review’, een wereldberoemd stuk dat maar liefst 1210 maal geciteerd is. De conclusie, die inmiddels in veel leerboeken staat, was verkeerd. “We sloten destijds uit dat elektronen door een magneetveld heen konden bewegen”, vertelt Klapwijk met een grote glimlach. “Maar nu blijkt dat ze dat bij een speciale vorm van supergeleiding wel degelijk kunnen.”

Om iets te begrijpen van supergeleiding moet je allereerst inzien dat een elektron niet alleen een deeltje is, dat in natuurkundeboeken altijd met een stip wordt aangegeven, maar tegelijkertijd een golf is met een bepaalde trilrichting. Zo bezien is het voor te stellen dat elektronen kleine barrières van enkele nanometers overbruggen. Door omgevingsfactoren te veranderen, waaronder de temperatuur, kan het nanocircuitje geleidend zijn of juist niet. Hiermee werkt het systeem volgens het principe van een transistor dat in alle elektronische apparatuur is verwerkt.
Elektronenpaar

Maar zo simpel is het niet. “Elektronen hebben ook een magnetisch moment”, zegt collega-onderzoeker Keizer. In de kwantummechanica wordt dit ‘spin’ genoemd. Deze eigenschap kun je het beste vergelijken met het tollen van een magneetje. De spin is de richting van de omwentelingsas, rechtsom of linksom. Bij supergeleiding bewegen elektronen altijd in paren door het geleidende materiaal, waarbij de twee elektronen meestal een tegenovergestelde spin hebben. Een van de twee elektronen heeft dan per definitie een magnetisch moment dat tegenovergesteld is aan dat van het magneetveld. Hierdoor wordt het elektronenpaar afgeremd.

Het bijzondere aan het experiment van de Delftse onderzoekers is dat zij supergeleiding hebben waargenomen met elektronen van gelijkgerichte spintoestanden. Als magneet gebruikten zij een flinterdun stukje chroomdioxide van enkele honderden nanometers breed dat zij gekregen hadden van collega’s uit Alabama die onderzochten of ze met het metaal betere harde schijven voor computerfabrikant IBM konden maken. Door ervoor te zorgen dat de magneetrichting in het chroomdioxide geleidelijk aan een beetje van richting verandert, konden de Delftenaren de elektronen zo aansturen dat een van de twee, degene met de ‘verkeerde draairichting’ eveneens bijdraait en dezelfde vorm aanneemt als zijn metgezel. Keizer: “Door te spelen met het magnetisme van het stukje metaal tussen de twee supergeleiders kan de superstroom aangepast worden. We hebben de switch nog niet onder controle, maar weten nu zeker dat het mechanisme werkt. Het is de gedroomde schakelaar in de supergeleidende elektronica van de toekomst, waarmee grensverleggende meetinstrumenten gemaakt kunnen worden.”

Supergeleidende detectoren waar de onderzoeksgroep van prof.dr.ir. Teun Klapwijk van het Kavli Instituut aan werkt, worden verwerkt in meetapparatuur om het heelal te onderzoeken. Artists impression van wat in 2011 met een diameter van veertien kilometer ‘s werelds grootste telescoop moet zijn: de Atacama Large Millimeter Array van het Europees ruimteagentschap (ESA) in Chili.