Kwantumeffecten aangetoond in nanodraden bij kamertemperatuur

Nanotechnologen van UT-onderzoeksinstituut MESA+ hebben voor het eerst kwantumeffecten aangetoond in minuscule nanodraden van iridiumatomen. Deze effecten, die al bij kamertemperatuur optreden, zijn er voor verantwoordelijk dat de draden bijna altijd 4,8 nanometer, of een veelvoud hiervan, lang zijn. Ze vonden de effecten toen ze er maar niet in slaagden om lange nanodraden van iridium te creëren. Het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications publiceerde het onderzoek dat mede mogelijk is gemaakt door de Stichting FOM.

Er is in de wetenschap een toenemende interesse in metallische nanodraden. Onder meer omdat ze zeer goed bruikbaar zijn als onderdeel voor (nano-)elektronica én omdat nanodraden zich goed lenen om meer inzicht te krijgen in de exotische en unieke fysische eigenschappen van 1-dimensionale systemen. In 2003 slaagde UT-onderzoeker prof. dr. ir. Harold Zandvliet er met zijn onderzoeksgroep al in om, met behulp van zelfassemblage, nanodraden van platina-atomen op een oppervlak te creëren. Omdat goud en iridium beide nauw verwant zijn aan platina, waren nanodraden van deze materialen de volgende logische stappen. Met goud slaagden de onderzoekers er in om lange draden te creëren, maar toen ze onlangs de truc met iridium wilden herhalen bleek dat de draadlengtes alleen in eenheden van 4,8 nanometer voorkwamen.

Mislukt?

Experiment mislukt, zou je wellicht denken, maar dat is niet het geval. Nadere bestudering van de gevormde nanodraadjes leverde namelijk een verrassende vondst op: de gevormde draadjes hadden bijna allemaal een lengte van 4,8 nanometer, of een veelvoud hiervan; en ze bevatten bijna allemaal twaalf iridiumatomen, of een veelvoud hiervan. De onderzoekers vonden de verklaring hiervoor in kwantumeffecten. De draadjes van 4,8 nanometer (of een veelvoud hiervan) blijken elektronisch gestabiliseerd te worden door geleidingselektronen waarvan de (helft van de) golflengte of een veelvoud daarvan exact in de nanodraad past. Het bestaan van deze staande elektronengolven in de nanodraden kon experimenteel worden aangetoond. Omdat dit stabiliserend effect bij nanodraadjes van iridium van een andere lengte niet optreedt, worden ze minder snel gevormd.

Wat de kwantumeffecten in de nanodraden nog interessanter maakt, is dat ze bij kamertemperatuur optreden, terwijl veel kwantumeffecten pas te zien zijn bij extreem lage temperaturen.

Onderzoek

Het onderzoek is uitgevoerd door Tijs Mocking, Pantelis Bampoulis, Bene Poelsema en Harold Zandvliet van de vakgroep Physics of Interfaces and Nanomaterials van onderzoeksinstituut Mesa+ van de Universiteit Twente. De onderzoekers werkten hierbij samen met Nuri Oncel van de Universiteit van North Dakota (VS). Het onderzoek is financieel mede mogelijk gemaakt door de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) en de Amerikaanse National Science Foundation (NSF).