Embargo tot woensdag 9 augustus 2006, 20.00h.
Onderzoek in Nature: hoe één elektron wint van een miljard elektronparen
Een team rond de Delftse onderzoeker dr. Jorden van Dam publiceert op donderdag 10 augustus in Nature over de omkering van een superstroom (door een kunstmatig atoom) door middel van de toevoeging van één enkel elektron. De resultaten zijn voornamelijk gebaseerd op het recent afgeronde promotieonderzoek van Van Dam.
Het team van wetenschappers, afkomstig van de TU Delft, Philips en het Italiaanse TASC, is er in geslaagd om twee supergeleidende contacten aan elkaar te verbinden door een nanodraadje van halfgeleidermateriaal. Een klein deel van het draadje (circa 70 nanometer lang) functioneert hierbij als een soort doosje (kwantumdot, of kunstmatig atoom) waarin zich een beperkt en bovendien regelbaar aantal elektronen bevindt. De onderzoekers hebben laten zien dat er een (weerstandsloze) superstroom door zo'n kwantumdot kan stromen. Ze hebben tevens laten zien dat de richting van deze superstroom omgedraaid kan worden door één enkel elektron toe te voegen aan de kwantumdot.
In supergeleiders vormen elektronen sterk gebonden paren. Deze zogenoemde Cooper-paren kunnen zonder weerstand door een supergeleider stromen waardoor een superstroom ontstaat. In de jaren zestig werd aangetoond dat als twee supergeleiders met elkaar worden verbonden (bijvoorbeeld door een dun laagje normaal metaal) de Cooper-paren zich van de ene supergeleider naar de andere kunnen verplaatsen. Hierdoor ontstaat een superstroom door een niet-supergeleidende verbinding.
In de experimenten die Jorden van Dam en zijn collega's uitvoerden, blijkt de superstroom door een kwantumdot (van halfgeleidermateriaal) af te wijken van superstromen door andere verbindingsmaterialen. In plaats van dat de stroom wordt getransporteerd als Cooper-paren, passeren de elektronen één voor één door de kwantumdot. Het opbreken van Cooper-paren is het gevolg van de sterke elektrostatische afstoting tussen elektronen. Als dit transport snel genoeg plaatsvindt, kunnen de elektronen aan de andere kant van de kwantumdot weer een Cooper-paar vormen en een superstroom veroorzaken.
Het team heeft bovendien aangetoond dat de superstroom (een miljard Cooper-paren per seconde) kan worden omgedraaid door slechts één enkel elektron toe te voegen aan de kwantumdot. Dit opmerkelijke effect is een gevolg van de kwantummechanische aard van de kwantumdot. Net als elektronen in atomen, bewegen de elektronen in een kwantumdot in banen. Deze banen zijn de paden waarlangs de elektronen van de ene naar de andere kant van de kwantumdot kunnen komen. De kwantummechanische eigenschappen van de banen die de elektronen gebruiken, bepalen de richting van de superstroom. Door nu een extra elektron toe te voegen aan de kwantumdot, verandert men de aard van de banen, waardoor de superstroom van richting verandert.
Tot nu toe waren superstromen door kwantumdots van halfgeleidermateriaal nog niet waargenomen. Dit was voornamelijk een gevolg van het ontbreken van een controleerbare verbinding tussen kwantumdots en supergeleidende contacten. De onderzoekers hebben dit probleem opgelost door gebruik te maken van halfgeleidende indiumarsenide nanodraadjes (met een diameter van 60 nanometer) gecombineerd met twee 'gate elektrodes'. Deze elektrodes bestaan uit twee dunne metalen lijnen die opgebracht zijn op de nanodraden en die elektrisch verbonden zijn met externe batterijen met regelbare spanning. De twee gate elektrodes houden elektronen 'gevangen' in een beperkt deel van het nanodraadje, waardoor een kwantumdot ontstaat. Door nu het voltage dat op deze elektrodes staat te wijzigen, kan men het aantal 'gevangen' elektronen en de koppeling van de kwantumdot met de supergeleidende contacten controleren.
Het onderzoek is deel van de FOM concentratiegroep 'Solid state quantum information processing' aan het Kavli Institute of Nanoscience (onderdeel van de TU Delft). Verder werd het onderzoek financieel gesteund door de EU en het Japanse International Cooperative Research Project (ICORP).
Nadere informatie:
Dr. Jorden van Dam: telefoonnummer: 015-2786085, e-mail: j.a.vandam@tudelft.nl
Wetenschapsvoorlichter Ineke Boneschansker, telefoonnummer: 015 278 8499 of 06 140 151 19, e-mail: i.boneschansker@tudelft.nl
Bij dit persbericht zijn twee figuren beschikbaar:
- een schematische representatie van Cooper-paar transport door een kwantumdot van halfgeleidermateriaal
- ingekleurd 'scanning electron microscope' beeld
De figuren zijn op te vragen bij:
Wetenschapsvoorlichter Ineke Boneschansker, e-mail: i.boneschansker@tudelft.nl
Over Jorden van Dam's promotieonderzoek is op 12 juni 2006 een persbericht verschenen. Dit bericht kan worden ingezien in het persberichtenarchief op
Technische Universiteit Delft