VERVORMDE QUANTUM DOT SLEEPT ELEKTRONEN MEE EN MAAKT STROOM

De schroef van Archimedes is een van de oudste manieren om water te verpompen. Een op een as bevestigde spiraal wordt in draaiing gebracht en zonder dat deze feitelijk van zijn plaats komt, wordt water omhoog gebracht. Amerikaanse natuurkundigen hebben hetzelfde principe toegepast om een elektrische stroom op te wekken (Science, 19 maart). Normaal gesproken gebeurt zoiets wanneer een spanning wordt aangelegd. Voor een metalen draadje is elk spanningsverschil voldoende, maar in het geval van een halfgeleider moet het groot genoeg zijn om elektronen te promoveren naar de geleidingsband. Van daaruit kunnen ze zich dan vrijelijk verder bewegen. In de nu ontwikkelde elektronenpomp is dat niet meer nodig. Hij bestaat uit een quantum dot, een minuscuul stukje halfgeleider waar elektronen in opgesloten zitten. Aan weerszijden hiervan wordt in een magneetveld een kleine wisselspanning aangelegd. Daardoor ontstaat een lopende spanningsgolf die de dot periodiek een beetje vervormt. De elektronen liften als het ware mee met de vervorming als een bal op de golven en worden verplaatst zonder dat ze naar de geleidingsband hoeven te worden gepromoveerd. Hoe hoger de frequentie van de wisselspanning, des te meer elektronen er worden meegenomen en des te sterker de opgewekte gelijkstroom.

Duitse en Russische natuurkundigen deden hetzelfde met behulp van geluidsgolven (Physical Review Letters, 8 maart). Die trekken de atomen in een halfgeleiderkristal wat uit hun verband, waardoor er een spanningsverschil ontstaat dat zich voortbeweegt met de geluidssnelheid. De elektronen hopen zich op in de minima en worden meegesleept. Dat dit in principe werkt was al eerder aangetoond, maar tot nu toe was het een probleem om de geluidsgolven efficiënt te benutten. Veel geluidsenergie ging namelijk verloren en de minima waren zo ondiep dat het bijna onmogelijk was om de elektronen daar vast te houden. Daarom werd een ultradunne laag van een piëzo-elektrisch materiaal op het kristal bevestigd, met als resultaat dat de geluidsgolf met veel minder verlies werd omgezet in een spanningsverschil. Een mogelijke toepassing van deze methode vormt het uitlezen van een lichtgevoelige chip in een digitale camera. Daarvoor moet de lading die na belichting op de chip is gegenereerd worden overgebracht naar een plek waar die wordt uitgelezen. Nu gebeurt dat met behulp van ingewikkelde elektronische schakelingen, terwijl het veel eenvoudiger met behulp van geluidsgolven zou kunnen gebeuren.

(Rob van den Berg)