Atomen als elektronen

Reading time: 4 minutes

Author:

Atomen zijn in een toestand te brengen die als twee druppels water lijkt op een elektronenzee in een halfgeleider, compleet met bandenstructuur. Tijd om de elektronica vaarwel te zeggen?

Sinds de jaren tachtig dromen fysici over een betere basis dan lading om informatie te encoderen en te manipuleren. In de spintronica speelt opnieuw het elektron de hoofdrol, maar dankzij een andere eigenschap: zijn spin. Door deze ’magnetische‘ grootheid te temmen, hopen onderzoekers spintronica te maken, die sneller en energie-efficiënter belooft te zijn dan elektronica.

Spintronica is nog lang niet aan praktische toepassing toe, maar een paar jaar geleden is er alweer een volgende paradigmaverschuiving voor het voetlicht gebracht: de atoomtronica. Deze vooralsnog goeddeels theoretische tak van wetenschap tracht componenten en circuits te vervaardigen waarin atomen de rol van elektronen hebben overgenomen. Omdat atomen tot een aanzienlijk veelzijdiger palet kunstjes in staat zijn, zou atoomtronica nieuwe manieren kunnen opleveren om informatie te manipuleren, complementair aan en in het verlengde van kwantumcomputers.

Vacante plekken

Onder een tweetal voorwaarden kan een verzameling atomen in een toestand worden gebracht die opmerkelijk veel lijkt op de elektronenzee in een halfgeleider, compleet met bandenstructuur. In de eerste plaats moeten ze worden gekoeld tot een fractie boven het absolute nulpunt, zodat ze een Bose-Einstein-condensaat vormen. In deze ’vijfde aggregatietoestand‘ worden kwantumeffecten die zich normaal gesproken uitsluitend op subatomair niveau manifesteren zichtbaar op macroscopisch niveau.

Tweede essentiële ingrediënt is de optical lattice, een kristalrooster van licht gevormd uit het interferentiepatroon van lasers. Atomen voelen deze fluctuaties in het elektrische veld en nestelen zich in de minima van dit patroon. Ze kunnen echter wel van het ene naar het andere minimum tunnelen en zich dus net als elektronen door het het rooster bewegen. Maar waar elektronen zich laten opjagen door een elektrische potentiaal, hebben ongeladen atomen een andere drijvende kracht nodig: een chemische potentiaal.

De bandenstructuur vloeit voort uit het feit dat atomen alleen tegen een energetische boete hetzelfde dal in het optische rooster kunnen innemen. Zolang er meer vrije plekken zijn dan atomen, kunnen de atomen zich verplaatsen en is het ’materiaal‘ een geleider. Zijn er evenveel van beide, dan is het een isolator. Is er één atoom meer dan er vrije plekken zijn, dan wordt het weer een geleider. Dit atoom resideert dan in de ’conductieband‘.

Door het energieniveau op individuele locaties in het rooster te veranderen, is het zelfs mogelijk om energieniveaus in de bandgap te introduceren – om te doteren dus. Een n-dotering bestaat uit een potentiaalputje iets onder de conductieband; atomen hierin hebben maar een klein zetje nodig om zich te gaan bewegen in die band. Een p-dotering resideert net boven de valentieband en trekt atomen daaruit aan. Zo zorgen ze ervoor dat vacante plekken in die band – gaten dus – zich door het rooster kunnen verplaatsen.

Bescheiden

Onderzoekers van de University of Colorado hebben aangetoond dat bovenstaande conceptuele basis afdoende is om basiscomponenten als batterij, diode (of pn-overgang) en bipolaire transistor (npn- of pnp-overgang) na te maken met atomen. Functioneel althans, want op detailniveau zijn er kleine verschillen in werking.

Het meest interessante aan deze atoomtronische componenten is dat ze in een aantal opzichten superieur zijn aan het origineel. Imperfecties in het kristalrooster kunnen volledig worden geëlimineerd en er zijn geen trillende atoomkernen (fononen) die de beweging van elektronen verstoren. Atoomtronica biedt dus voor het eerst in de geschiedenis gelegenheid om perfecte halfgeleidersystemen experimenteel te bestuderen. Zeker nu elektrongebaseerde transistoren de ultieme atomaire grenzen beginnen te benaderen, levert atoomtronisch onderzoek daarom mogelijk nieuwe inzichten op waar conventionele elektronica van kan profiteren.

Wat verder vooruitkijkend, zouden in licht gevangen atomen ook een nuttige bijdrage aan kwantumberekeningen kunnen leveren. Om in kwantumtoestanden gecodeerde informatie zo lang mogelijk vast te houden, dienen de dragers ervan zo goed mogelijk geïsoleerd te zijn van hun omgeving. Tegelijkertijd is het voor verstrengeling – een basisingrediënt van iedere kwantumcomputer – nodig om verschillende dragers in elkaars nabijheid te brengen. Met het optische rooster en de atoomtronische gereedschapskist vallen deze tegenstrijdige eisen te verenigen.

Atomen zijn ten slotte tot gedrag in staat dat elektronen boven de pet gaat. Elektronen vallen onder de fermionen, deeltjes die niet dezelfde kwantumtoestand kunnen aannemen. Atomen kunnen als samengestelde deeltjes niet alleen optreden als fermionen maar ook als hun tegenhanger bosonen, met allerlei consequenties voor de sterkte, polariteit en reikwijdte van interacties die ze aangaan met hun buren. Dat biedt op zijn beurt geheel nieuwe ingangen voor zowel conventionele als kwantuminformatieverwerking.

Vooralsnog blijft het echter bij theorie. Pas zeer recentelijk hebben de onderzoekers uit Colorado een artikel aan preprintsite Arxiv aangeboden dat de eerste experimentele metingen aan een component presenteert. Ze beschrijven daarin een atoomtronische oscillator, die materiegolven in plaats van elektromagnetische uitzendt. Radio was natuurlijk een van de eerste in een lange rij elektronische toepassingen die de wereld voorgoed hebben veranderd. Gezien de weinig praktische omstandigheden waaronder atoomtronica opereert, zal deze techniek dat voorbeeld waarschijnlijk niet volgen, maar een meer bescheiden bijdrage aan de technologische vooruitgang valt zeker niet uit te sluiten.