Elektrische weerstand van één atoom gemeten en in model gevangen

Onderzoekers van het Amerikaanse bedrijf IBM hebben een opmerkelijk staaltje van meettechniek geleverd. Zij hebben de elektrische weerstand gemeten van één atoom, dat zat ingeklemd tussen twee metalen geleiders.

De onderzoekers, A. Yazdani, D.M. Eigler en N.D. Lang, maakten gebruik van het vermogen van de scanning tunneling microscoop (STM) om afzonderlijke atomen precies dáár te krijgen waar zij ze wilden hebben. De STM bestaat uit een extreem scherp naaldje van het element wolfraam, waarmee van heel korte afstand een oppervlak wordt afgetast en in kaart gebracht, maar waarmee ook atomen kunnen worden verplaatst.

De IBM-onderzoekers hebben een STM gebouwd waarmee steeds heen en weer kan worden geschakeld tussen waarnemen en manipuleren. Met dit instrument speurden zij een atoomzuiver nikkeloppervlak waarop eerder her en der xenonatomen waren afgezet. Door een klein stroompulsje liet men één zo'n atoom naar de punt van de naald overspringen, waar het aan vast bleef plakken. Hierna liet men de naald zakken totdat het xenonatoom het nikkeloppervlak raakte. Vervolgens werd de elektrische weerstand atoom gemeten, werden naald en atoom weer opgetild en werd het atoom weer op het oppervlak 'teruggezet'.

Op eenzelfde manier werd daarna de weerstand gemeten van twee boven elkaar zittende xenonatomen. Daartoe liet men eerst weer één xenonatoom naar de punt van de naald overspringen en liet men deze vervolgens zakken totdat contact werd gemaakt met een ander xenonatoom aan het nikkeloppervlak.

Alle manipulaties werden verricht in hoog vacuüm en bij een temperatuur van 5 graden boven het absolute nulpunt. Bij deze lage temperatuur, 268 graden onder het vriespunt, staan de atomen van het edelgas xenon zo goed als stil. (Science, 28 juni). De elektrische weerstand van een xenonatoom blijkt honderd maal zo klein te zijn als die van twee xenonatomen. Om dit verschil te kunnen verklaren hebben de onderzoekers berekeningen verricht aan modellen van de energietoestanden van de xenonatomen en de invloed die de atomen van de aangrenzende geleiders (wolfraam en nikkel) hierop hebben.

'Het proces van geleiding in een atomair systeem kan worden begrepen in termen van de energietoestanden van individuele atomen', aldus de onderzoekers. Dit is van belang voor de mogelijke toepassing van structuren op atomaire schaal in bijvoorbeeld de halfgeleidertechnologie.