Samenwerkende elektronen in een kunstmatig atoom
Onderzoekers van de Technische Universiteit Delft en de NWO-Stichting
FOM hebben voor het eerst aangetoond dat elektronen op verschillende
manieren kunnen samenwerken om een stroom door een kunstmatig atoom
mogelijk te maken. De onderzoekers publiceren hun bevin-dingen over
co-tunneling in Physical Review Letters van 22 januari.
De Delftse groep verricht onderzoek aan quantum dots. Dit zijn kleine
eilandjes met een typische diameter van 100 miljoenste millimeter
waarop een handjevol elektronen wordt opgesloten. Zon quantum dot is
te beschouwen als een kunstmatig atoom waar stroomdraadjes aan vast
zitten. De stroomdraden kunnen een spanning over het eiland aanleggen,
waarna de resulterende stroom kan worden gemeten. Dit is met een
werkelijk atoom, dat zon duizend maal kleiner is, absoluut niet
mogelijk.
Bij temperaturen vlakbij het absolute nulpunt geleidt een quantum dot
alleen onder bijzondere condities. In alle andere gevallen onderdrukt
de zogenaamde Coulomb blokkade de stroom. Er kan dan geen extra
elektron op het eilandje bijkomen, omdat de al aanwezige elektronen
het extra elektron afstoten. De natuur blijkt echter een manier te
hebben gevonden om de blokkade te omzeilen; elektronen gaan
samenwerken. Eén springt van de dot af en tegelijkertijd springt een
ander erop. Zo blijft het aantal elektronen gelijk, maar loopt er toch
stroom. Dit proces staat bekend als co-tunnelen.
Het was bekend dat er twee verschillende vormen van co-tunnelen zijn,
maar ze waren nooit afzonderlijk waargenomen. Samen met Japanse
onderzoekers van de Universiteit van Tokio en NTT Basic Research
Laboratories zijn de Delftse fysici er voor het eerst in geslaagd
co-tunneling afzonderlijk waar te nemen. Het vooraanstaande
natuurkundige vaktijdschrift Physical Review Letters bericht op 22
januari over de resul-taten.
De onderzoekers gebruikten een speciale dot die veel minder elektronen
bevat dan gebruikelijk (slechts tussen nul en tien). Wanneer de
spanning over de dot werd vergroot, bleek de stroom op een zeker
moment plotseling toe te nemen. De onderzoekers wisten aan te tonen
dat de toename wordt veroorzaakt doordat bij hoge spanning beide
vormen van co-tunnelen plaatsvinden, terwijl bij lage spanning slechts
één van de twee is toegestaan.
De experimenten werpen licht op het collectieve gedrag van elektronen.
Dit is interessant vanuit theoretisch oogpunt, maar heeft ook
praktische relevantie. Computerchips zullen bijvoorbeeld binnen
afzienbare tijd zó klein worden, dat hun werking belemmerd wordt door
typisch quantummechanische verschijnselen. Kennis hiervan is dan
noodzakelijk om verdere miniaturisatie mogelijk te maken, en quantum
dots kunnen hierbij een belangrijke rol spelen als flexibele
miniatuurlaboratoria.
Nadere informatie bij:
* ir. Jeroen Elzerman (TUD, Quantumtransport)
* tel. (015) 2786693, fax (015) 2783251
* e-mail elzerman@qt.tn.tudelft.nl