Natuurkundig raadsel opgelost

Onderzoekers van het Zernike Institute for Advanced Materials (ZIAM) hebben een twintig jaar oud natuurkundig raadsel opgelost. Donderdag verschijnt hun ontdekking in het tijdschrift Nature.

Het raadsel begon in 1988 toen natuurkundige Bart van Wees (nu hoogleraar aan de RUG) een merkwaardig fenomeen ontdekte in de geleiding van nanodraadjes. Wanneer hij het draadje breder maakte, nam de geleiding niet evenredig toe, maar in stapjes. Er bleken kwantumeffecten op te treden, die met een keurige formule zijn te beschrijven.

Piekje

Alleen in het eerste stapje, bij het dunste draadje, zat er een kleine afwijking van de formule in de metingen, een klein piekje dat er niet hoorde te zijn. Het werd eerst afgedaan als een meetfoutje, maar dat foutje bleek hardnekkig en herhaalbaar. In 1995 trokken natuurkundigen de conclusie: het was toch geen foutje, maar iets wat ze nog niet begrepen. En gaven het de naam ‘Zero Bias Anomaly’ (ZBA).

Trends

Onderzoekers en theoretici gingen ermee aan het werk. Er volgden honderden artikelen maar niemand kon precies een verklaring geven. Totdat een promovendus van hoogleraar Caspar van der Wal tijdens een meting naast de ZBA ook ‘andere interessante trends’ zag. Van der Wal zette zijn promovendus aan het werk, die vervolgens een hele rits aan nanodraadjes maakte van zeer zuiver materiaal.

Foto: Science LinX

Caspar van der Wal  Foto: Science LinX

Een ‘draadje’ ontstaat tussen twee elektroden die zorgen voor een zogeheten ‘zadelpuntpotentiaal’, een veld dat de passerende elektronen voelen en waardoor ze als het ware over een bergpas heen moeten. Aan beide zijden is een steile ‘bergwand’ waar de elektronen tussendoor moeten. Als de promovendus het draadje langer maakte bleek het aantal pieken ook toe te nemen.

Opstopping

Van der Wal schakelde de hulp van collega’s uit Israël, Duitsland en Spanje in om die waarneming te verklaren. Zij ontdekten dat een elektron (of meer dan één) vast komt te zitten op de bergpas als ze tegen de helling of wanden botsen. Die opstopping veroorzaakt het rare piekje in de experimenten.

Daarmee lijkt na twintig jaar eindelijk een antwoord te zijn gevonden op het raadsel van het piekje. ‘Het gedrag in dit soort dunne draadjes is veel complexer dan we dachten’, zegt Van der Wal. Het is overigens toeval dat hij het raadsel oploste, waarmee zijn huidige collega Bart van Wees begon. ‘Ik werk eigenlijk aan heel andere systemen, vooral optische nanodevices. Maar misschien ga ik hier nog mee verder.’

28-08-2013