Universiteit Leiden

Grafeen is een raspaard dat getemd moet worden

Elektronen in grafeen gedragen zich als lichtdeeltjes; ze hebben geen massa en gaan overal doorheen. Heel handig als je droomt over nano-elektronica. Maar je moet ze wel in goede banen leiden. Carlo Beenakker gaat onderzoeken hoe. Hij kreeg er een ERC Advanced Grant voor van 1,5 miljoen euro.

Prof.dr. Carlo Beenakker: 'Hoe het komt dat elektronen in grafeen geen massa hebben is moeilijk intuïtief te vatten'. Drie van de tien
Beenakker, hoogleraar theoretische nanofysica, Spinozawinnaar en bij het publiek bekend als de Star Trek professor die alles weet van teleportatie, is de tweede onderzoeker van het Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde die deze felbegeerde subsidie krijgt. En de derde van de faculteit Wiskunde en Natuurwetenschappen. 'Bepaald niet slecht, op een totaal van tien voor de exacte wetenschappen in Nederland', zegt hij met gepaste trots. Carlo Beenakker is ook een van de trekkers van het universitaire profileringsgebied 'Fundamentals of Science', dat met hem nu ook al kan bogen op drie Advanced Grants. Allerdunste potloodpuntschraapsel
Elektronenmicroscoopfoto van grafeenlaagjes op een ondergrond van silicium (20 micrometer breed). Afbeelding van Andrei Geim. Grafeen is een laag koolstof van één atoom dik: het aller-dunste laagje potloodpuntschraapsel mogelijk. De natuurkundige wereld stond op zijn kop toen fysicus Andrei Geim in 2004 in Manchester liet zien dat grafeen in het echt, in losse vorm, kan bestaan zonder meteen uit elkaar te vallen. Dat had niemand gedacht. De onderzoeksgroepen schoten als paddenstoelen uit de grond, en inmiddels prijkt het typerende honingraatpatroon van het 'nano-kippengaas' iedere week wel op een website van een wetenschappelijk topblad. Grafeen gedraagt zich namelijk heel anders dan enig ander materiaal, en openbaart steeds nieuwe verrassingen. Elektronen zonder massa
Dat het heel bijzondere eigenschappen heeft werd al voorspeld in de jaren veertig van de vorige eeuw. 'Een van de meest fascinerende kenmerken van grafeen is dat elektronen erin bewegen alsof het lichtdeeltjes zijn: ze hebben geen massa, zijn niet op te sluiten, en gaan net als licht overal doorheen', zegt Beenakker. 'Dat maakt ze heel snel en wendbaar, wat handig kan zijn voor snelle computerschakelingen. Maar het is ook lastig ze een andere richting op te sturen. Of ze voor een tijdje op te sluiten om daarna weer los te laten, heel snel maar zonder het materiaal te beschadigen. Grafeen heeft een enorme potentie maar je moet het wel weten te temmen. Vergelijk het maar met een veelbelovend paard dat snel maar ook heel wild is.' Elektronenspiegels
Golven in een vrijhangend stukje grafeen, zoals gemeten door verstrooiingsexperimenten (de golflengte is ongeveer 10 nanometer). Afbeelding van Jannik Meyer. Hoe gaat hij grafeen temmen, of zoals netjes in de ERC-aanvraag verwoord, de vrijheidsgraden van de elektronen manipuleren? 'Dat gaan we de komende vijf jaar uitzoeken. Maar denk in de richting van hoe we licht sturen: aan spiegels, of interferentie, of diffractie. Zo kun je ook denken aan elektronenspiegels, met behulp van een elektrisch of magnetisch veld of met supergeleiders. Grafeen zelf is niet supergeleidend, maar als je er een supergeleidend materiaal op legt neemt het de supergeleiding over.' Leids onderwerp, nieuw materiaal
Beenakker hoorde direct muziek toen zijn collega uit Manchester grafeen met behulp van een plakbandje tevoorschijn had weten te toveren, en zette meteen maar een flinke onderzoeksgroep op het materiaal. 'Het deed me denken aan het werk dat ik in de jaren '80 bij Philips heb gedaan aan halfgeleidende materialen, in de tijd dat de mesoscopische fysica ontstond, en we doorkregen dat er niet simpelweg sprake is van schaalverkleining maar dat er allerlei kwantumeffecten optreden. Ik had al een idee welke vragen ik aan het materiaal wilde stellen. En dat is al tweederde van het werk. Lichtdeeltjes, fotonen, kennen we in Leiden bovendien goed; we hebben altijd veel aan kwantumoptica gedaan. Nu combineren we een oud Leids onderwerp met een nieuw materiaal.' In 2007 liet Beenakker in het blad Nature Physics zien dat grafeen inderdaad geleidende eigenschappen heeft die in theorie ingezet kunnen worden in de micro-elektronica. Experimenten
Deze week heeft hij een landelijke bijeenkomst met collega's, waar ze gaan brainstormen over experimenten die voortvloeien uit zijn ERC-stappenplan. Beenakker werkt in het kader van een NWO/FOM programma intensief samen met experimentele groepen uit Leiden, Delft, Nijmegen en Groningen. 'Dat is het leuke: dit onderzoek heeft bestaansrecht. Het is geen verzinsel van een theoreticus achter de computer of met pen en papier. De hele lol ervan is dat het materiaal bestaat.'

Bandenstructuur van grafeen, met de kegelpunten waar de massa van de elektronen nul wordt. Afbeelding van Csaba Jozsa. Gewichtloos door het leven
Hoe het komt dat elektronen in grafeen gewichtloos door het leven gaan volgt uit een stukje wiskunde dat maar moeilijk intuïtief te vatten is. Beenakker; 'Een vrij elektron heeft een bepaalde massa. Maar elektronen in grafeen verliezen die massa onder invloed van het zeshoekig rooster van de koolstofatomen. Het blijft mysterieus. We weten allang dat de massa van een object kan veranderen. Denk maar aan water: daarin is je gewicht anders dan op het land. Als de massa van de elektronen in grafeen tien keer zo klein werd zou niemand het bijzonder vinden. Maar dat hij gelijk is aan nul is heel verrassend.'

How to control graphene. Search for Mechanisms to control massless electrons in graphene. ERC Advanced Grant prof.dr. Carlo Beenakker, maart 2009. De andere Leidse beta's met een ERC Advanced Grant zijn fysicus prof.dr. Michel Orrit (moleculaire glasvorming) en astronoom prof.dr. Marijn Franx (vorming en ontwikkeling van sterrenstelsels).