Onderzoek nieuwe klasse materialen mogelijk met simulator

De Utrechtse experimenten bevestigen niet alleen de voorspellingen van de theoretici, maar geven ook nieuwe inzichten. Zo ontdekte het team 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. Het onderzoek is deels gefinancierd vanuit de stichting fundamenteel onderzoek der materie (FOM).

Supereigenschappen maakbaar

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

Tweedimensionaal kristal van elektronen

"Het basale idee is dat we een tweedimensionaal kristal van elektronen kunnen maken in nagenoeg elke vorm", 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."
Een dergelijk 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 koolstofmonoxide-moleculen te bouwen. "De manier waarop wij dit doen, is te vergelijken met een vinger die een pepermuntje over een tafel heen en weer schuift. Daarbij is de vinger een naald die eindigt in één atoom", aldus Swart. 

Fenomeen onthuld

De resultaten tot nu toe laten zien dat de theoretische voorspellingen goed kloppen. Maar de experimenten hebben ook een fenomeen onthuld waaraan de theoretici nog niet hadden gedacht en dat mogelijk interessant kan zijn voor toepassingen.  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 hogetemperatuur-supergeleiders. Daarom is het heel belangrijk de eigenschappen en het gedrag van elektronen in dit rooster te begrijpen," licht theoretisch natuurkundige Cristiane Morais Smith toe.  De weg van dit Utrechtse modelsysteem naar nieuwe supermaterialen zoals grafeen, is nog lang. "Maar ons systeem is een soort van kwantumsimulator, waarmee we nieuwe theoretische ideeën met optimale flexibiliteit kunnen toetsen", aldus Morais Smith. (bron: UU / Engineersonline.nl)

'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