De koolstofcomputer

Met een velletje koolstof van één atoom dik kun je transistoren maken. Dankzij het platte gaas van koolstof dat grafeen heet.

Je kunt computers veel sneller krijgen door er iets anders op te zetten dan Windows Vista. Aangezien dat niet voor iedereen een optie is, moeten toch de transistors op chips maar weer kleiner en sneller. Met de grenzen van silicium in zicht dient zich een nieuwe grondstof aan voor transistors: grafeen, vellen koolstof van één atoom dik, met de atomen in een honingraatpatroon.

Grafeen is de specialiteit van een groep aan de universiteit van Manchester rond de Russische fysicus Andre Geim. Sommige Nederlanders zullen zich Geim herinneren uit de tijd dat hij verbonden was aan de Radboud Universiteit. Hij haalde in 2000 de kranten toen hij een IgNobelpijs, een satirische wetenschappelijke prijs, ontving voor het laten zweven van een kikker in een magnetisch veld.

Grafeen is een vorm van koolstof. De beroemde buckyballen bestaan uit vijf- en zeshoeken van koolstofatomen die samen een voetbalachtige bol vormen. Nanobuisjes zijn dezelfde zeshoeken opgerold als kippegaas. En grafeen is een plat honingraatpatroon dat zich theoretisch tot in het oneindige uitstrekt.

Geim en consorten hebben in 2004 voor het eerst grafeen geïsoleerd uit schilfers van grafiet oftewel potloodvulling. Grafeen is een uitstekende geleider: elektronen kunnen in het materiaal bewegen met een snelheid van duizend kilometer per seconde, dat is een driehonderdste van de lichtsnelheid.

Deze winter maakte het team van Geim voor het eerst een bruikbare transistor van dit materiaal. Deze bestond uit een lint van grafeen, waarin het transport van individuele elektronen (de elektrische stroom dus) aan- en uitgeschakeld kon worden door een uitwendig elektrisch veld.

Deze transistor was tien nanometer breed en precies één koolstofatoom dik. Op de meest recente commerciële chips hebben de onderdelen afmetingen van 45 nanometer. Een nanometer is een miljoenste millimeter.

Deze maand publiceerde de groep uit Manchester in Science (18 april) dat het met grafeen nóg kleiner kan. Nu hebben ze een transistor gemaakt van tien koolstofatomen breed, dus nog maar één nanometer. De dikte is natuurlijk nog steeds één atoom. Deze versie kan geschakeld worden met een magnetisch veld.

Er zijn ook experimentele transistors volgens andere principes maar een cruciale eigenschap van de prototypes van Geim is dat er geen koeling voor nodig is. Andere probeersels hebben extreme koeling nodig met bijvoorbeeld vloeibare stikstof.

Een ander verschil is dat Geim betrekkelijk conventionele lithografische technieken gebruikt, terwijl de concurrenten hun producten atoom voor atoom in elkaar moeten zetten. Bij het verkennen van nieuw gebied kan het geen kwaad één voet op bekend terrein te houden.

De koolstofcomputer is er nog lang niet. Voordat grafeentransistors met z’n honderdmiljoenen op een chip zitten in een werkende computer zijn we echt wel een paar jaar verder. Maar de kandidatuur van grafeen is gesteld.

Lees het techno-weblog op nrc.nl/techno