25 april 2017

Experimenteel modelsysteem voor exotische materialen

‘Quantum simulator’ maakt onderzoek theoretische supermaterialen mogelijk

Onderzoeker Ingmar Swart, rechts, in het lab
Ingmar Swart (rechts) in het lab

Natuurkundigen van de Universiteit Utrecht hebben een ‘quantum simulator’ bedacht, een modelsysteem om theoretische voorspellingen over een hele nieuwe klasse van materialen te onderzoeken. Het gaat dan om supermaterialen zoals grafeen, met een tweedimensionale structuur en unieke eigenschappen. De Utrechtse experimenten bevestigen niet alleen de voorspellingen van de theoretici, maar geven ook nieuwe inzichten. Zo ontdekten ze dat een eenvoudig vierkant rooster bij hogere energieën eigenschappen krijgt die normaliter alleen in exotische materialen te vinden zijn. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in Nature Physics van 24 april 2017.

De eigenschappen van een materiaal worden bepaald door de atomen waaruit ze zijn gemaakt en hoe die gerangschikt zijn. Berekeningen van theoretisch natuurkundigen laten zien dat door atomen in bepaalde tweedimensionale structuren te ordenen allerlei supereigenschappen ‘maakbaar’ zijn. Alleen bleef dat tot nu toe vaak bij theoretische voorspellingen: veel van de uitgedachte roosters bestaan simpelweg niet in de natuur en zijn ook (nog) niet gemaakt. Met de door Utrechtse natuurkundigen ontwikkelde methode, kunnen die resultaten nu experimenteel getoetst worden.

Experimenteel (links) en theoretisch (rechts) scanning tunnelling microscopie plaatje van een Lieb rooster gemaakt door deeltje-voor-deeltje koolstofmonoxide moleculen (zwart) met atomaire precisie op het oppervlak neer te zetten

Tweedimensionaal kristal van elektronen

“Het basale idee is dat we een tweedimensionaal kristal van elektronen kunnen maken in nagenoeg elke vorm die we willen”, licht onderzoeksleider Ingmar Swart toe. “Vervolgens bepalen we nauwkeurig de eigenschappen van het kristal. Hierdoor kunnen we experimenteren met heel veel ideeën van onze theoretische collega’s.”

Atomaire precisie

Zo’n rooster van enkele tientallen nanometers groot wordt door Swart en zijn team gemaakt op het oppervlak van een koperkristal. Aan dat oppervlak bevinden zich heel veel elektronen. Die elektronen worden in bepaalde posities gedwongen door op het oppervlak met atomaire precisie een rooster van koolstofmonoxidemoleculen te bouwen. “De manier waarop wij dit doen is te vergelijken met een vinger die een pepermuntje over een tafel heen en weer schuift. Waarbij de vinger een naald is, die eindigt in één atoom”, legt Swart uit. 

Fenomeen onthuld

De resultaten tot nu toe laten zien dat de theoretische voorspellingen goed kloppen. Maar de experimenten hebben ook een fenomeen onthuld waar de theoretici nog niet aan hadden gedacht en dat mogelijk interessant kan zijn voor toepassingen.

Hoge-temperatuur supergeleiders

Bij hogere energieën blijkt een eenvoudig vierkant rooster over te gaan in een structuur die bekend staat als een ‘Lieb-rooster’. “Dit Lieb-rooster is het echte rooster van bepaalde hoge-temperatuur supergeleiders. Daarom is het heel belangrijk om de eigenschappen en het gedrag van elektronen in dit rooster te begrijpen,” licht theoretisch natuurkundige prof. Cristiane Morais Smith toe.

Quantum simulator

De weg van dit Utrechtse modelsysteem naar nieuwe supermaterialen zoals grafeen, is nog lang. “Maar ons systeem is een soort van quantum simulator, waarmee we nieuwe theoretische ideeën met optimale flexibiliteit kunnen toetsen”, aldus Morais Smith.

Publicatie Nature Physics

“Experimental realization and characterization of an electronic Lieb lattice”
Marlou R. Slot, Thomas S. Gardenier, Peter H. Jacobse, Guido C.P. van Miert, Sander N. Kempkes, Stephan J.M. Zevenhuizen, Cristiane Morais Smith, Daniel Vanmaekelbergh, Ingmar Swart*
Nature Physics, doi:10.1038/nphys4105, 24 april 2017
* alle auteurs zijn verbonden aan de Universiteit Utrecht

Dit onderzoek is medegefinancierd door NWO Physics.

Meer informatie

Contact

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

 

Gerelateerde nieuwsberichten