Opstopping in een bergpas

Elektronen die door nanodraadjes van amper honderd atomen breed stromen gedragen zich minder netjes dan is aangenomen. Daardoor kan er een opstopping ontstaan. Met deze ontdekking, die op 5 september in Nature verschijnt, verklaren Groningse natuurkundigen een 20 jaar oud raadsel.

Het raadsel begon in 1988. De Nederlandse natuurkundige Bart van Wees (hij kwam later naar de RUG en is nu hoogleraar toegepaste natuurkunde binnen het Zernike Institute for Advanced Materials) ontdekte een merkwaardig fenomeen in de geleiding van nanodraadjes. Wanneer hij de draadjes breder maakte, nam de geleiding niet evenredig toe, maar in stapjes. Er bleken kwantumeffecten op te treden in de draadjes, die met een keurige formule zijn te beschrijven.

Alleen, in het eerste stapje, bij het dunste draadje, zat er een kleine afwijking van de formule in de metingen, een klein piekje dat er niet hoorde te zijn. Dit werd eerst afgedaan als een meetfoutje, maar het foutje bleek hardnekkig en herhaalbaar. In 1995 trokken natuurkundigen de onvermijdelijke conclusie: het was geen foutje, er gebeurde daar iets wat ze nog niet begrepen. Het fenomeen kreeg de naam ‘Zero Bias Anomaly’ oftewel ZBA.

Dat zette de onderzoekers en theoretici aan het werk. Er volgden honderden artikelen maar niemand kon een sluitende verklaring leveren. Een aantal jaren geleden maakte een promovendus van RUG hoogleraar Caspar van der Wal ook nanodraadjes. Tijdens metingen werd de ZBA zichtbaar. ‘Maar we zagen ook wat andere interessante trends’, vertelt Van der Wal. Hij zette een promovendus op het fenomeen dat zijn collega’s al zolang bezighield.

Die promovendus, Javaid Iqbal uit Pakistan, maakte een heleboel nanodraadjes van zeer zuiver materiaal en deed metingen vlakbij het absolute nulpunt (bij 50 milliKelvin). Op die manier kreeg hij zeer nauwkeurige resultaten.

De draadjes moet je je trouwens niet voorstellen als gewone draadjes, met een geleidende kern en een isolatielaag er omheen. Een ‘draadje’ ontstaat tussen twee elektroden die zorgen voor een zogeheten ‘zadelpuntpotentiaal’, een veld dat de passerende elektronen voelen en waardoor ze als het ware over een bergpas heen moeten. Aan beide zijden is er een steile ‘bergwand’ waar de elektronen tussendoor moeten.

Het onderzoek van Iqbal leverde het inmiddels bekende piekje op, maar als de elektrische spanning op het draadje werd opgevoerd verscheen er ook ene tweede piek. ‘Anderen hebben die dubbele piek ook wel gezien, maar zij dachten dat het een teken was dat hun draadje niet goed meer werkte’, legt Van der Wal uit. Maar de uiterst nauwkeurige metingen in zijn lab lieten zien dat dit niet het geval was. De dubbele piek was echt. Bovendien kon Iqbal zijn draadje langer maken (door een serie elektroden achter elkaar te zetten waarmee hij de bergpas naar believen kon verlengen) en het aantal pieken bleek ook toe te nemen met de lengte van het draadje.

Om dit te verklaren schakelde Van der Wal de hulp in van enkele theoretisch natuurkundigen die zich werkten aan de ZBA, vooral een groep in Israël die het bestaan van een dubbele piek had voorspeld. ‘Hun theorie verklaarde alleen nog niet waarom de lengte van het draadje ook voor meer pieken kon zorgen.’ Samen met collega’s uit Duitsland en Spanje werd een verklaring voor de waarnemingen bedacht, die er op neerkomt dat er een elektron (of meer dan één) vast kom te zitten boven op de bergpas.

Hoe dat komt? De elektronen die door het draadje stromen, gedragen zich als golven. Die botsen tegen de helling van de bergpas of de wanden, maar voelen ook elkaars aanwezigheid. Zo ontstaat er in de pas een complexe wisselwerking tussen elektronen, veroorzaakt door verschillende natuurkundige fenomenen. ‘We noemen dat many body physics, Die is zeer complex, je kunt wat er gebeurt niet met één simpele formule beschrijven.’

De uitkomst van die complexe wisselwerking is dat er een elektron bovenop de bergtop vast komt te zitten. Die opstopping veroorzaakt het rare piekje in de experimenten. Bij langere draadjes kunnen er twee of meer elektronen vast komen te zitten, die dan twee of meer piekjes veroorzaken.

Daarmee lijkt na 20 jaar een sluitende verklaring te zijn gevonden voor een raar piekje. Maar is dat belangrijk? Zeker, zegt Van der Wal. ‘Het gedrag van elektronen in dit soort dunne draadjes is veel complexer dan we dachten.’ De opstopping in de bergpas kan de karakteristieken van elektronen (zoals de spin, een tolbeweging die elektronen maken) veranderen. Bovendien worden de draadjes op grote schaal gebruikt in natuurkundig onderzoek. En ze vormen bijvoorbeeld een onderdeel van Quantum Dots, die gebruikt worden als ‘bits’ bij het bouwen van een kwantumcomputer. In al die toepassingen moeten natuurkundigen nu rekening houden met mogelijk merkwaardig gedrag van hun elektronen.

De ontdekking is op 29 augustus gepubliceerd op de website van het tijdschrift Nature en verschijnt 5 september in druk. Behalve het artikel van de groep van Van der Wal staat er nog een publicatie over de merkwaardige piekjes in dat nummer, met voor een groot deel dezelfde discussies.

Het is toeval dat Van der Wal een raadsel oploste dat begon met zijn huidige collega Bart van Wees. ‘Ik werk eigenlijk aan heel andere systemen. Het was overigens wel Van Wees die mij een tijdje geleden naar Groningen haalde.’ Van der Wal werkt vooral aan optische nanodevices. ‘Maar misschien ga ik hier nog mee verder.’ Bovendien, de het raadsel is opgelost, maar er blijven nog detailvragen over. ‘Die zullen nog wel interessante discussies opleveren’, zegt Van der Wal enthousiast.

Zie ook een News & Views commentaar over deze studie in Nature Physics.

Referentie

Odd and even Kondo effects from emergent localization in quantum point contacts, Nature, online 29 Augustus 2013, in druk op 5 september.

M. J. Iqbal¹, Roi Levy², E. J. Koop¹, J. B. Dekker¹, J. P. de Jong¹, J. H. M. van der Velde¹, D. Reuter³, A. D. Wieck³, R. Aguado⁴, Yigal Meir^2,5 and C. H. van derWal^1,

DOI:10.1038/nature12491

1 Zernike Institute for Advanced Materials, University of Groningen, NL-9747AG Groningen, The Netherlands.

2 Department of Physics, Ben-Gurion University of the Negev, Beer Sheva 84105, Israel.

3 Angewandte Festkörperphysik, Ruhr-Universität Bochum, D-44780 Bochum, Germany.

4 Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM), Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), Sor Juana Ines de la Cruz 3, 28049 Madrid, Spain.

5 Ilse Katz Institute for Nanoscale Science and Technology, Ben-Gurion University of the Negev, Beer Sheva 84105, Israel.