Pantelis Bampoulis, van de groep Physics of Interfaces and Nanomaterials, heeft nu een nieuw topologisch materiaal ontwikkeld, gemaakt van zogenaamd germanium, dat deze problemen oplost.
‘Onderzoek naar topologisch isolerende materialen opent een compleet nieuw veld in de natuurkunde en kan een revolutie teweegbrengen in de elektronica’, stelt Bampoulis. ‘Deze speciale materialen kunnen het energieverbruik aanzienlijk verminderen en ze hebben ook veel potentieel in kwantumcomputers.’ Hij plaatst een houder met daarin een klein, plat stukje van het materiaal, germanium, in een indrukwekkend uitziende machine.
Zijn collega-wetenschapper Carolien Castenmiller, die nauw betrokken is bij het onderzoek, sluit een buis aan op deze zogenaamde Scanning Tunneling Microscope (STM) die het apparaat van vloeibare stikstof voorziet om te koelen. ‘Met de STM kunnen we de eigenschappen van het monster bestuderen’, legt ze uit. We kunnen de structuur van het oppervlak meten en visualiseren, wat de eigenschappen van het materiaal bepaalt. Zelfs individuele atomen zijn zichtbaar.’
Nadat het monster is geplaatst en het systeem is afgekoeld, wordt er een spanning aangebracht en scant een kleine metalen punt het monster om de elektrische stroom op verschillende plaatsen te meten. Het resultaat van de metingen van de machine is een spectaculair uitziende figuur op een gebogen computerscherm, rood in het midden en helder aan de randen. ‘Deze figuur laat zien dat ons monster de juiste eigenschappen heeft om als topologische isolator te functioneren’, legt Castenmiller uit. Ze wijst naar de figuur: 'De rode kleur in het midden duidt op minder elektrische geleiding, terwijl de heldere randen meer geleiding laten zien. Deze 'randgeleiding' is een typisch kenmerk van topologische materialen.’
Geen energieverlies
Gewone isolatoren, zoals hout, glas of rubber geleiden geen elektriciteit. Topologische isolatoren zijn heel anders en hebben speciale eigenschappen: ze isoleren in het midden, terwijl ze alleen elektriciteit geleiden langs de randen: daar loopt de stroom (de elektronen) ongestoord en zonder verliezen. ‘Normale geleiders, zoals een koperdraad, bevatten onzuiverheden, waardoor elektronen worden verstrooid en de weerstand toeneemt’, legt Bampoulis uit. ‘Dit genereert warmte en resulteert in energieverlies.
Maar in topologische isolatoren wordt de elektriciteitsstroom niet beïnvloed door onzuiverheden en is er dus geen energieverlies.’ Hierdoor zijn topologische isolatoren efficiënte elektriciteitsgeleiders. Ze worden echter nog niet toegepast in consumentenproducten, omdat ze moeilijk te maken zijn en alleen bij zeer lage temperaturen kunnen werken.
De wetenschap over deze speciale isolatoren bevindt zich nog in een zeer fundamentele fase. ‘Hoewel het gebruik in consumentenproducten nog ver weg is, opent het bestuderen van deze topologische materialen de deur naar compleet nieuwe aspecten van de natuurkunde’, vertelt Bampoulis enthousiast. ‘We zijn nu nog steeds bezig met het identificeren en zoeken naar de eigenschappen van geschikte materialen.
Bekende voorbeelden van tweedimensionale topologische isolatoren zijn grafeen, wolfraamditelluride en kwiktelluride.’ Aangezien deze materialen zich alleen 'topologisch' gedragen bij lage temperaturen, proberen Bampoulis en zijn team nieuwe topologische materialen te vinden die ook functioneren bij hogere temperaturen.
Geavanceerde methode
Al tijdens zijn MSc en PhD in Twente experimenteerde Bampoulis met germanium, dat een halfgeleider is. Maar een enkele laag germaniumatomen, samengepropt in een kippengaasstructuur (honingraat), vertoont eigenschappen die sterk lijken op grafeen, een bekende topologische isolator. Deze dunne laag germaniumatomen wordt germaneen genoemd en is een potentieel uitstekende kandidaat om als topologische isolator te worden gebruikt.
Bampoulis en zijn collega's slaagden erin om germaneen in het laboratorium te fabriceren met behulp van een geavanceerde methode. Ze verhitten germanium samen met platina tot 850 graden Celsius. De twee materialen vermengden zich en vormden minuscule vloeibare druppeltjes. ‘Bij het afkoelen van deze druppeltjes vormt zich een heel dun laagje germanium, slechts een paar atomen dik, bovenop de germanium-platina legering’, legt Bampoulis uit. ‘Met behulp van een STM konden we bevestigen dat dit laagje inderdaad germanium is, en hebben we onze potentiële topologische isolator die we verder kunnen onderzoeken.’
Elektrische eigenschappen
Om te testen of germaneen als topologische isolator kan fungeren, vergeleken de wetenschappers de structuur en het gedrag van het materiaal onder verschillende omstandigheden. Als eerste onderzoeken wetenschappers dan vaak de atomaire structuur van het materiaal met behulp van een STM. ‘We gebruiken deze machine bij -196 graden Celsius, om alle atomaire beweging te beperken’, zegt Bampoulis. ‘In ons onderzoek naar germaneen gebruikten we dan ook deze machine om de atomaire structuur van de germaneenlaag in detail te begrijpen.’
De onderzoekers ontdekten dat de atomen in een honingraatstructuur waren gerangschikt en dat deze honingraat geen plat oppervlak vormde, zoals bij grafeen. In plaats daarvan waren ze meer geknikt gerangschikt: elk tweede atoom was een beetje hoger en stak een klein beetje uit het hoofdvlak. Met behulp van de STM analyseerden Bampoulis en zijn team (waaronder Carolien Castenmiller, Dennis Klaassen en Harold Zandvliet van de Universiteit Twente) de elektronische eigenschappen van het materiaal: op welke plaatsen geleidt het materiaal elektriciteit en waar is het isolerend?
Ze ontdekten dat germaneen in het midden functioneert als een isolator en aan de randen geleidend is. Deze randgeleiding werd niet beïnvloed door materiaaldefecten, wat duidt op een elektriciteitsstroom zonder verlies. Dit maakt van germaneen een veelbelovende topologische isolator. Manipulatie door het aanbrengen van een elektrisch veld of het verhogen of verlagen van de temperatuur gaf ook informatie over hoe het materiaal op verandering reageerde.
Onverwachte eigenschap
Hoewel andere topologische materialen, zoals grafeen, zeer veelzijdig is, kan het alleen functioneren als topologische isolator bij extreme kou: in de buurt van -273 Celsius, waardoor praktische toepassingen onmogelijk zijn. Voor germaneen bleek dat anders te zijn. ‘Op basis van zijn atomaire honingraatstructuur stelden we dat germaneen een geschikt topologisch materiaal bij kamertemperatuur zou kunnen zijn, dus besloten we dit experimenteel te testen’, aldus Bampoulis. ‘We hebben de topologische isolatie en de randgeleiding van germaneen al bevestigd bij -196 graden Celsius. Onze voorlopige gegevens geven aan dat dit materiaal deze eigenschappen ook bij kamertemperatuur vertoont.’
Bampoulis en zijn team ontdekten nog een nuttige en onverwachte eigenschap van germaneen, die verband hield met de geknikte honingraatstructuur: door een elektrisch veld toe te passen, konden ze de topologische eigenschappen van het materiaal aan en uit zetten: onder een kritische elektrische veldsterkte is germaneen een topologische isolator die geen energie afstaat. Wanneer het elektrische veld wordt verhoogd tot boven de kritische waarde, verliest germaneen zijn topologische eigenschappen en gedraagt het zich als een gewone isolator, waar geen elektrische stroom doorheen kan.
Fundamenteel niveau
Samen met de succesvolle werking bij kamertemperatuur zijn de gevolgen van deze ontdekking enorm. Met de 'aan'- en 'uit'-schakelaar die wordt geactiveerd door een elektrisch veld toe te passen, functioneert germaneen op dezelfde manier als een hightech transistor. Hierdoor kunnen op termijn wellicht traditionele transistors in consumentenproducten worden vervangen door topologische isolatoren, waardoor ze veel energiezuiniger worden. Bampoulis: ‘Je kunt je voorstellen dat met miljarden van zulke topologische schakelaars in moderne elektronica, zoals onze telefoons, de energiebesparingen enorm zouden kunnen zijn.’
