ST-Microscoop ontwart geleiding in stroomdraad van één atoom dik

Geleidingselektronen in een stroomdraad van één atoom dik verdelen zich niet gelijkmatig over de lengte van de draad maar hopen zich op. Die samenballing van lading vindt plaats op onderlinge afstanden van én twee én drie atomen. Deze eigenschappen zijn waargenomen door natuurkundigen van het Kavli Instituut voor Nanoscience in Delft (Physical Review Letters, 24 februari).

Paul Snijders en Sven Rogge van de TU Delft en Hanno Weitering, nu hoogleraar aan de universiteit van Tennessee in Knoxville, maakten hun atomaire stroomdraden via het principe van zelforganisatie. In ultrahoog-vacuüm lieten ze goudatomen verdampen en 'neerslaan' op een siliciumkristal. Het oppervlak van dit kristal was scheef op de breukvlakken gezaagd. Er ontstaan dan trapjes van atoomvlakken. De op het materiaal neerslaande goudatomen gaan vervolgens netjes in rijtjes liggen, evenwijdig aan de treden. Zo ontstaan de gewenste atomaire draden, in de praktijk tot 150 goudatomen lang.

Bij hun waarnemingen gebruikten de onderzoekers een Scanning Tunneling Microscoop (STM). Die tast met een zeer fijne naald oppervlakken af en 'ziet' dan grote atomen, zoals goud. En de STM neemt ook waar of zich elektronen ophopen in de éénatoomsgoudddraad. Elektronen stoten elkaar normaal gesproken af, door hun negatieve lading. Maar in de draad van één atoom breed blijkt het energetisch voordeliger als ze zich op regelmatige afstanden ophopen. Deze charge density waves (golven in de ladingsdichtheid) hebben, al naar gelang de temperatuur, een periodiciteit van twee of drie atoomafstanden. Het optreden van een tweede periodiciteit was onverwacht. Bij bepaalde temperaturen treden beide soorten ophoping naast elkaar op.

Zelfs kan het gebeuren dat door een 'foutje' (fase-slips) twee opeenhopingen lokaal vier atoomafstanden uit elkaar komen te liggen. Zulke foutjes corresponderen met ladingen ter grootte van ±1/3 of ±2/3 keer de elektronlading. Deze fractionele ladingen, in 1981 voorspeld door Nobelprijswinnaar Robert Schrieffer, zijn met de Delftse techniek nu voor het eerst direct (in real space) toegankelijk.

De elektrische eigenschappen van atomaire draden zijn van belang voor het onderzoek naar ultrakleine chips, waar quantumeigenschappen allesbepalend zijn. Op dit moment zijn de draden die in de chipsindustrie geproduceerd worden ongeveer 500 atomen dik.

Dirk van Delft