Theoretisch natuurkundigen ontwerpen heilige graal van de materiaalkunde

"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