Elektronica kan energiezuiniger als de elektrische stroom er zonder energieverlies doorheen kan stromen. Natuurkundigen laten nu zien dat dit misschien mogelijk is met fractale structuren die zich gedragen als zogeheten ‘topologische’ isolatoren.
Als jij je smartphone of laptop gebruikt, schieten er elektronen heen en weer in de elektronische circuits. Door deze elektrische stroompjes kun jij een email sturen of een kattenfilmpje bekijken. Onderweg botsen die elektronen op atomen, onzuiverheden en foutjes in het materiaal waardoor ze energie verliezen. Daardoor warmt je apparaat op, en raakt je batterij sneller leeg.
Je zou energie kunnen besparen als elektronen zonder te botsen – en dus zonder energieverlies en zonder opwarmen – door een materiaal kunnen bewegen. Dat is misschien mogelijk met zogeheten topologische isolatoren. Onderzoekers van de Universiteit Utrecht en collega’s hebben nu ontdekt dat deze materialen ook kunnen bestaan in een fractale structuur, waarvan het patroon zich blijft herhalen als je inzoomt. Die ontdekking draagt mogelijk bij aan energiezuinigere elektronica. De resultaten verschenen in het vakblad Nature Physics.
Nobelprijswinnaar Anne L’Huillier: 'Het duurde 14 jaar voordat ons idee slaagde'
We spraken Nobelprijswinnaar Anne L’Huillier over haar grootste ontdekking en over haar huidige werk.
Bijzondere buitenkant
Topologische isolatoren zijn bijzondere materialen. Ze geleiden wel aan de buitenkant, maar niet aan de binnenkant. Als je een elektrische spanning aanbrengt, dan zal de stroom dus over het oppervlak lopen, of in het geval van een plat, tweedimensionaal materiaal langs de randen. Die stroom botst bovendien niet nergens tegenaan, waardoor er geen energieverlies is. Dat maakt topologische isolatoren een goede kandidaat voor energiezuinige elektronica.
Het nadeel van topologische isolatoren was lange tijd dat ze alleen werken bij extreem lage temperaturen en in de aanwezigheid van een sterk magneetveld. Tot 2017. In dat jaar ontdekten onderzoekers dat een vel van het element bismut van slechts één atoomlaag dik, deze felbegeerde eigenschappen heeft bij kamertemperatuur en zonder sterk magneetveld. De stroom loopt daarbij langs de randen.
Gaten boren
‘Als je geïnteresseerd bent in de stroom van een topologische isolator, dan heb je het probleem dat die alleen langs de randen stroomt’, vertelt natuurkundige Cristiane Morais Smith van de Universiteit Utrecht. ‘Om te zorgen dat je meer stroompjes hebt, kun je dan gaten gaan boren in het materiaal. Dan heb je meer randen en dus meer stroompjes in het midden. En dat is precies wat wij gedaan hebben.’
Morais Smith maakte met collega’s een fractale structuur van bismut. Fractalen zijn wiskundige structuren waarvan het patroon zich blijft herhalen als je inzoomt. Een voorbeeld is een boom, waarbij de structuur van zijtakken aan een tak lijkt op die van takken die uit de stam komen.
De fractale structuur van het platte bismut is een Sierpińskidriehoek. Daarbij bestaat de herhalende structuur uit een gelijkzijdige driehoek van drie kleinere driehoekjes met in het midden een driehoekig gat.
Eerste fractale materialen
Gaten boren om een fractale structuur te maken, klinkt simpel, maar dat is het niet. Het bismut is een flinterdun materiaal, en het gaat om een structuur op de schaal van atomen. Boren kan dus niet. Je moet zorgen dat de atomen zich rangschikken in een fractal.
Dat kregen Chinese onderzoekers in 2021 voor elkaar door bismut te laten groeien op het halfgeleidermateriaal indiumantimonide. ‘Als je dit doet terwijl je het materiaal op een bepaalde manier afkoelt, bij precies de juiste omstandigheden, zoals een specifieke druk, dan blijken er bismut-fractalen te ontstaan’, vertelt Morais Smith.
Samen met collega’s in Utrecht en de Chinese onderzoekers toonde Morais Smith vervolgens theoretisch aan dat deze fractalen topologische isolatoren zijn, en langs de randen stroom kunnen geleiden zonder energieverlies. ‘Het is voor het eerst dat we zien dat een echt materiaal op het niveau van atomen fractalen vormt’, voegt ze eraan toe.
Qubits
Er is nog meer onderzoek nodig naar de precieze eigenschappen van deze fractale topologische isolator, maar toepassingen komen dichterbij. Een mogelijke toepassing is een qubit, de bouwsteen van toekomstige quantumcomputers. Op de hoeken van de fractale structuur gedraagt het materiaal zich namelijk als een zogeheten eendimensionaal topologisch materiaal. ‘Als je dat combineert met een supergeleidend materiaal dan kun je op de hoeken majoranadeeltjes creëren, die kunnen dienen als qubit’, vertelt Morais Smith.
‘Deze fractale bismut-structuur combineert het beste van twee werelden’, besluit ze. ‘Het voordeel van een tweedimensionale topologische isolator is dat stroom langs de randen beweegt zonder energieverlies, en het voordeel van een eendimensionale topologische isolator is dat je de hoeken zou kunnen gebruiken als qubits.’
