Theoretisch natuurkundigen ontwerpen 'heilige graal' van de materiaa..
Meer informatie
Contactperso(o)n(en): Ans Hekkenberg
Weblocatie: http://www.fom.nl/live/nieuws/archief_persberichten/persberichten2015/artikel.pag?objectnumber=290770
printerversie
11 maart 2015
Theoretisch natuurkundigen ontwerpen 'heilige graal' van de materiaalkunde
Natuurkundigen van FOM, de Universiteit Utrecht en hun Franse collega's hebben theoretisch de heilige graal van de materiaalkunde ontworpen. Dit materiaal zou een unieke combinatie vertonen van de uitzonderlijke elektronische eigenschappen van grafeen plus de belangrijke eigenschappen die
grafeen bij kamertemperatuur mist.
Figuur 1. Cristiane Morais Smith
vergroten Figuur 1. Cristiane Morais Smith
Cristiane Morais Smith
Figuur 2. De honingraatstructuur
vergroten Figuur 2. De honingraatstructuur
"Als we er in slagen deze 'heilige graal' te synthetiseren en als het de theoretisch voorspelde eigenschappen vertoont, openen zich nieuwe mogelijkheden voor onderzoek en toepassingen waarvan we ons nu geen voorstelling kunnen maken", stelt FOM-werkgroepleider Cristiane Morais Smith van de
Universiteit Utrecht. Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Communications van 10 maart.
Grafeen is een tweedimensionale vorm van koolstof waarbij de atomen een honingraatstructuur vormen. De mogelijke 'heilige graal' heeft dezelfde structuur, maar is gemaakt van nanokristallen van kwik en tellurium. In hun publicatie tonen de theoretisch natuurkundigen aan dat dit materiaal de
elektronische eigenschappen van grafeen combineert met de kwaliteiten die grafeen mist. Bij kamertemperatuur is het een halfgeleider in plaats van een geleider, zodat het toegepast kan worden als transistor. Daarnaast voldoet het aan de eisen om quantum spintronics te realiseren, omdat het bij
kamertemperatuur het quantum spin Hall effect zou moeten kunnen vertonen.
Quantum spin Hall effect en een honingraatstructuur
Grafeen, voor het eerst gemaakt in 2003, is het eerste materiaal waarin is waargenomen dat elektronen bewegen alsof zij geen massa hebben. Dit komt door de honingraatstructuur van de koolstofatomen, die ervoor zorgt dat de elektronen zich gedragen als relativistische deeltjes. Grafeen vertoont
echter zelfs bij een zeer lage temperatuur niet het exotische quantum spin Hall effect. In hun zoektocht naar de heilige graal was de uitdaging voor de theoretisch natuurkundigen dan ook een manier te vinden om een materiaal dat de potentie heeft om het quantum spin Hall effect bij
kamertemperatuur te realiseren, in de vorm van een honingraat te krijgen.
Kwiktelluride
Het quantum spin Hall effect, waarvan het bestaan werd voorspeld in 1971, is pas in 2006 experimenteel gerealiseerd door Laurens Molenkamp en zijn team van de Universiteit van Wuerzburg. Zij gebruikten hiervoor kwik telluride/cadmium telluride bij een zeer lage temperatuur. Dit inspireerde de
theoretisch natuurkundigen om verschillende honingraatstructuren te ontwerpen van kwik telluride nanokristallen en hiervan de eigenschappen te berekenen. Een aantal structuren bleek alle eigenschappen te vertonen van de 'heilige graal' waar ze naar zochten. FOM-werkgroepleider Daniel
Vanmaekelbergh van de Universiteit Utrecht heeft dergelijke structuren al weten te maken van cadmium-selenide nanokristallen.
De heilige graal tot stand brengen
"Laurens Molenkamp is de enige ter wereld die met kwiktelluride werkt. Dus wij zijn erg blij dat hij zeer geinteresseerd is om de honingraatstructuren die wij ontworpen hebben te synthetiseren", aldus prof. Cristiane Morais Smith. "Op dit moment is dat technisch nog niet mogelijk, maar gezien
de ontwikkelingen in zijn laboratorium verwacht hij dat de benodigde techniek over niet al te lange tijd beschikbaar is. Als we er in slagen om dit materiaal te maken en als het inderdaad de unieke combinatie van exotische eigenschappen bij kamertemperatuur vertoont die wij hebben voorspeld,
dan opent dat mogelijkheden voor fundamenteel onderzoek en technologische innovaties die ons voorstellingsvermogen te boven gaan."
Spintronics
Het materiaal zou dan onder meer gebruikt kunnen worden voor spintronics, een technologie die de volgende stap kan zijn in het sneller laten werken van computers en het internet. Bij spintronics wordt in plaats van de elektrische lading, de 'spin' van elektronen benut. Spin 'up' en spin 'down'
geven aan of een elektron met de klok mee of tegen de klok in om hun eigen as draaien. Als alle elektronen met spin 'up' naar rechts bewegen en alle elektronen met spin 'down' naar links, ontstaat een 'spinstroom' in plaats van een elektrische stroom. Door hun wisselwerking met nanomagneten,
zouden spinstromen gebruikt kunnen worden in toepassingen voor het snel lezen en schrijven van magnetische geheugens.
Dit onderzoek is mede gefinancierd door FOM en door het Delta Institute for Theoretical Physics.
Referentie
Topological states in multi-orbital HgTe honeycomb lattices, W. Beugeling, E. Kalesaki, C. Delerue, Y.-M. Niquet, D. Vanmaekelbergh en C. Morais Smith, Nature Communications, 10 maart 2015, doi 10.1038/ncomms7316
Contactinformatie
Cristiane Morais Smith, +31 (030) 253 59 28