Atomaire schuifpuzzel

Leidse fysici zijn op het spoor gekomen van een atomaire schuifpuzzel. De atomen maken wel honderd miljoen sprongen per seconde.

Koper mag dan een vaste stof zijn, in de buitenste atoomlagen van een koperkristal is het zelfs bij kamertemperatuur een drukte van belang. Wat zich daar precies allemaal afspeelt is wat duidelijker geworden door experimenten van natuurkundigen van het Kamerlingh Onnes Laboratorium in Leiden. Joost Frenken en zijn collega's ontdekten dat koperatomen aan het oppervlak in een soort atomaire schuifpuzzel voortdurend van positie veranderen. Ze wisten die razendsnelle bewegingen aan het licht te brengen door sommige koperatomen te vervangen door iets grotere `verklikkeratomen' van het element indium, en die met behulp van een speciale Scanning Tunneling Microscope (STM) in de gaten te houden. De experimenten tonen aan hoe verrassend beweeglijk atomen kunnen zijn, zelfs wanneer ze aan alle kanten ingesloten lijken te zitten door buren (Nature, 7 december).

Aanleiding voor het onderzoek vormde een probleem dat optreedt bij het groeien van koperkristallen. Frenken: ``Niets lijkt simpeler dan koperatomen neerleggen op een al bestaand koperoppervlak. Toch gaat het mis, omdat de koperatomen die geland zijn niet netjes laag voor laag het kristal verder opbouwen, maar juist de hoogte ingaan en driedimensionale eilandjes vormen. Het is alsof ze moeite hebben om van zo'n eilandje naar beneden te springen. Als die eilandjes eenmaal zo groot zijn geworden dat ze tegen elkaar aanlopen, zijn ze vaak zo vervormd dat er geen mooi kristal ontstaat, maar een ruwe aaneenschakeling van kristallijne korrels.''

Soortgelijke problemen kunnen zich voordoen bij het groeien van bepaalde siliciumkristallen. Onderzoekers van IBM ontdekten dat het probleem te verhelpen is door kleine hoeveelheden vreemde atomen toe te voegen. Voor koper doet een beetje indium al wonderen. Frenken: ``Sommige onderzoekers denken dat de indiumatomen aan de rand van een eilandje de koperatomen helpen naar beneden te komen.''

Samen met promovendus Raoul van Gastel wilde Frenken proberen uit te zoeken hoe het indium daar in slaagt. Daarvoor hadden ze een prachtige microscoop tot hun beschikking, een STM, waarmee razendsnel afbeeldingen konden worden gemaakt van een oppervlak op atomaire schaal. Het apparaat was bovendien zó ontworpen dat de tip waarmee de atomen worden afgetast bij verschillende temperaturen op precies dezelfde plek boven het oppervlak blijft staan. Dat is zeer uitzonderlijk, gezien de onvermijdelijke thermische uitzetting van de verschillende onderdelen. De materialen waaruit die zijn opgebouwd, zijn namelijk zo op elkaar afgestemd, dat de veranderingen in afmetingen elkaar compenseren. Zo kan een minuscuul stukje van het oppervlak – een paar honderd vierkante nanometer – voortdurend in het oog worden gehouden. Van Gastel illustreert aan de hand van een STM-filmpje samengesteld uit een aantal achter elkaar gemonteerde momentopnamen wat er allemaal gebeurt zodra indiumatomen zijn geland. Van Gastel: ``Zo'n koperoppervlak is niet volmaakt glad, maar bestaat uit een aantal op elkaar gestapelde atoomlagen, zogenoemde terrassen. De indiumatomen verzamelen zich eerst aan de rand van zo'n terras, en weten zich vervolgens binnen een tijdsbestek van een uur tussen de koperatomen te nestelen.''

Toen Frenken en Van Gastel een paar van die indiumatomen wat langer in beeld hielden, viel het hun op dat ze af en toe wel erg grote sprongen maakten. Frenken: ``Zoiets hadden we absoluut niet verwacht: normaal gesproken zouden ze netjes stapje voor stapje door het koperrooster moeten voortbewegen. Ze moesten dus op een of andere manier geholpen worden door een zich snel over het oppervlak voortbewegend mysterieus deeltje dat voor STM onzichtbaar was.''

Het bleek te gaan om `lege plekken' in het rooster: heel af en toe – bij één op de tien miljard atomen – ontbreekt er namelijk ergens een koperatoom. De koperatomen rond zo'n gat zien zich opeens aan één kant geconfronteerd met een enorme vrijheid, die ze direct benutten door een plaatsje op te schuiven, een proces dat zich voortdurend herhaalt. Als de bekende dronken zeeman beweegt zo'n gat zich dan ook door de buitenste atoomlaag heen.

lege plekken

Van Gastel: ``Dat gaat allemaal zó snel dat we het niet kunnen afbeelden met de STM. Af en toe komt zo'n gat echter een paar keer een indiumatoom tegen, dat daardoor opeens een paar plaatsen lijkt op te schuiven. Dat is wat we waarnemen. Alle koperatomen doen overigens precies hetzelfde maar dat kunnen we niet zien.'' Het gedrag van de indiumatomen wordt nauwkeurig beschreven door een model dat werd opgesteld door twee collega's van het Lorentz Instituut. Frenken benadrukt nog eens hoe wonderlijk het is dat een zo klein aantal `lege plekken' toch zoveel aanricht: ``Dat kan alleen doordat ze zich met enorme snelheid voortbewegen. Ze maken naar schatting honderd miljoen sprongen per seconde.''

Om daar meer kwantitatieve informatie over te krijgen, gaan Van Gastel en Frenken proberen om bewust lege plekken aan het oppervlak te creëren door het te bombarderen met argonatomen. Het is dan ook de bedoeling het koper zo ver af te koelen dat de gaten zo goed als stil komen te staan. Alleen dan zijn de atomaire bewegingen langzaam genoeg om ze in beeld te kunnen brengen. Helemaal wanneer de nog snellere versie van de STM beschikbaar komt, die met videosnelheid plaatjes gaat maken.