EO

Theoretisch natuurkundigen ontwerpen heilige graal van de materiaalkunde

14 maart 2015 om 22:20 uur - Utrecht

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.


"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.

 

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. De theoretisch natuurkundigen tonen aan dat dit materiaal de elektronische eigenschappen van grafeen combineert met 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 kwantumspintronica te realiseren, omdat het bij kamertemperatuur het kwantumspin Hall-effect zou moeten kunnen vertonen.

 

Kwantumspin 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 kwantumspin 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 dit effect bij kamertemperatuur te realiseren, in de vorm van een honingraat te krijgen.

 

Kwiktelluride

Het kwantumspin 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 Würzburg. Zij gebruikten hiervoor kwiktelluride/cadmiumtelluride bij een zeer lage temperatuur. Dit inspireerde de theoretisch natuurkundigen om verschillende honingraatstructuren te ontwerpen van kwiktelluride 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 Daniël Vanmaekelbergh van de Universiteit Utrecht heeft dergelijke structuren al weten te maken van cadmiumselenide 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 geïnteresseerd 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." 

 

Spintronica

Het materiaal zou dan onder meer gebruikt kunnen worden voor spintronica, een technologie die de volgende stap kan zijn in het sneller laten werken van computers en het internet. Bij spintronica 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.

 

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

 

Gerelateerd nieuws

Minder dan een nanometer dik, sterker en veelzijdiger dan staal

Minder dan een nanometer dik, sterker en veelzijdiger dan staal

Wetenschappers zijn erin geslaagd omstabiele nanovellen te produceren met boor- en waterstofatomen. Dit biedt kansen voor de nano-elektronica en kwantuminformatietechnologie.

Belvorming op elektroden beheersen

Belvorming op elektroden beheersen

Het gebruik van elektriciteit om water te splitsen in waterstof en zuurstof kan een effectieve manier zijn om schone waterstof te produceren, met verdere voordelen als die elektriciteit wordt opgewekt uit hernieuwbare…

Met dertig 3D-geprinte autoonderdelen de Dakar door

Met dertig 3D-geprinte auto-onderdelen de Dakar door

Prodrive en het Koninkrijk Bahrein, die dit jaar 5e zijn geworden in de Dakar Rally, deden dat in een auto met dertig 3D-geprinte onderdelen. Reden? Door Covid-19 kon het team pas in oktober 2020 de fabriek in.

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

12 april 2021, online

Hannover Messe

De Hannover Messe is een van de grootste industriebeurzen.

13 april 2021, online

De Makers van Morgen

Over het versnellen van time-to-market en snel doorvoeren van productinnovaties

14 april 2021, online

Thundercomm / Qualcomm Webinar - 5G IoT

Webinar over 5G IoT oplossingen met de Qualcomm Snapdragon architectuur

Meer agendapunten »