Theoretisch natuurkundigen ontwerpen ‘heilige graal’ van de materiaalkunde

Natuurkundigen van de Universiteit Utrecht en hun Franse collega’s hebben theoretisch de heilige graal van de materiaalkunde ontworpen. Dit materiaal zou een unieke combinatie vertonen van de uitzonderlijke elektronische eigenschappen van grafeen plus de belangrijke eigenschappen die grafeen bij kamertemperatuur mist. “Als we er in slagen deze ‘heilige graal’ te synthetiseren en als het de theoretisch voorspelde eigenschappen vertoont, openen zich nieuwe mogelijkheden voor onderzoek en toepassingen waarvan we ons nu geen voorstelling kunnen maken”, stelt prof. Cristiane Morais Smith van de Universiteit Utrecht. Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Communications van 10 maart.

Grafeen is een tweedimensionale vorm van koolstof waarbij de atomen een honingraatstructuur vormen. De mogelijke ‘heilige graal’ heeft dezelfde structuur, maar is gemaakt van nanokristallen van kwik en tellurium. In hun publicatie tonen de theoretisch natuurkundigen aan dat dit materiaal de elektronische eigenschappen van grafeen combineert met de kwaliteiten die grafeen mist. Bij kamertemperatuur is het een halfgeleider in plaats van een geleider, zodat het toegepast kan worden als transistor. Daarnaast voldoet het aan de eisen om quantum spintronics te realiseren, omdat het bij kamertemperatuur het quantum spin Hall effect zou moeten kunnen vertonen.

Quantum spin Hall effect en een honingraatstructuur

Grafeen, voor het eerst gemaakt in 2003, is het eerste materiaal waarin is waargenomen dat elektronen bewegen alsof zij geen massa hebben. Dit komt door de honingraatstructuur van de koolstofatomen, die ervoor zorgt dat de elektronen zich gedragen als relativistische deeltjes. Grafeen vertoont echter zelfs bij een zeer lage temperatuur niet het exotische quantum spin Hall effect. In hun zoektocht naar de heilige graal was de uitdaging voor de theoretisch natuurkundigen dan ook een manier te vinden om een materiaal dat de potentie heeft om het quantum spin Hall effect bij kamertemperatuur te realiseren, in de vorm van een honingraat te krijgen.

Nanokristallen van kwik telluride

Het quantum spin Hall effect, waarvan het bestaan werd voorspeld in 1971, is pas in 2006 experimenteel gerealiseerd door prof. Laurens Molenkamp en zijn team van de Universiteit van Würzburg. Zij gebruikten hiervoor kwik telluride/cadmium telluride bij een zeer lage temperatuur. Dit inspireerde de theoretisch natuurkundigen om verschillende honingraatstructuren te ontwerpen van kwik telluride nanokristallen en hiervan de eigenschappen te berekenen. Een aantal structuren bleek alle eigenschappen te vertonen van de ‘heilige graal’ waar ze naar zochten. Prof. Daniël Vanmaekelbergh van de Universiteit Utrecht heeft dergelijke structuren al weten te maken van cadmium-selenide nanokristallen.

De heilige graal maken

“Prof. Laurens Molenkamp is de enige ter wereld die met kwik telluride werkt. Dus wij zijn erg blij dat hij zeer geïnteresseerd is om de honingraatstructuren die wij ontworpen hebben te synthetiseren”, aldus prof. Crisitiane Morais Smith van de Universiteit Utrecht. “Op dit moment is dat technisch nog niet mogelijk, maar gezien de ontwikkelingen in zijn laboratorium verwacht hij dat de benodigde techniek over niet al te lange tijd beschikbaar is. Als we er in slagen om dit materiaal te maken en als het inderdaad de unieke combinatie van exotische eigenschappen bij kamertemperatuur vertoont die wij hebben voorspeld, dan opent dat mogelijkheden voor fundamenteel onderzoek en technologische innovaties die ons voorstellingsvermogen te boven gaan.” 

Spintronics

“Prof. Laurens Molenkamp is de enige ter wereld die met kwik telluride werkt. Dus wij zijn erg blij dat hij zeer geïnteresseerd is om de honingraatstructuren die wij ontworpen hebben te synthetiseren”, aldus prof. Crisitiane Morais Smith van de Universiteit Utrecht. “Op dit moment is dat technisch nog niet mogelijk, maar gezien de ontwikkelingen in zijn laboratorium verwacht hij dat de benodigde techniek over niet al te lange tijd beschikbaar is. Als we er in slagen om dit materiaal te maken en als het inderdaad de unieke combinatie van exotische eigenschappen bij kamertemperatuur vertoont die wij hebben voorspeld, dan opent dat mogelijkheden voor fundamenteel onderzoek en technologische innovaties die ons voorstellingsvermogen te boven gaan.”

Publicatie

Topological states in multi-orbital HgTe honeycomb lattices
W. Beugeling, E. Kalesaki, C. Delerue, Y.-M. Niquet, D. Vanmaekelbergh, and C. Morais Smith
Nature Communications, 10 March 2015, doi 10.1038/ncomms7316

Dit onderzoek is mede gefinancierd door FOM en door het Delta Institute for Theoretical Physics. 

Meer informatie

Prof. Cristiane Morais Smith, Centre for Extreme Matter and Emergent Phenomena, Institute for Theoretical Physics, Faculteit Bètawetenschappen, Universiteit Utrecht, C.deMoraisSmith@uu.nl, 06 24 21 26 64.

Monica van der Garde, persvoorlichter, Faculteit Bètawetenschappen, m.vandergarde@uu.nl, 06 13 66 14 38.