Fysici van de universiteiten van Würzburg en Kassel onderzoeken momenteel de dunste draad ter wereld, vervaardigd van zuiver goud. De ongebruikelijke elektri-sche geleiding baart opzien: de elektronen bewegen zich niet vrij door de nanodraden heen, maar als auto’s in ‘langzaam rijdend en stil-staand’ verkeer.
Normaal gesproken bewegen elektronen (de dragers van de elektrische lading) kriskras door metalen of andere elektrisch geleidende materialen. Dat verandert als men deze geleider steeds kleiner maakt. De fysici uit Würzburg hebben de miniaturisering op de spits gedreven. Hun nanodraden bestaan uit aparte goudatomen, die als een ketting zijn gerangschikt. In samenwerking met onderzoekers uit Kassel en het Paul-Scherrer-Institut bij Zürich werden de elektrische eigenschappen van deze nanodraden on-derzocht.
In nanodraden van goud kunnen de elektronen slechts binnen zeer nauwe grenzen bewegen, zodat er een file ontstaat. Dit is hier zichtbaar gemaakt door de rood gekleurde draad. Aan de bovenkant is de punt van een rastertunnelmicroscoop afgebeeld, waarmee de fysici de elektronische eigenschappen van de nanodraden meten.
In de nanodraden zijn de elektronen dermate beperkt dat ze zich slechts in één richting kunnen bewegen, namelijk in de lengte van de draad. Zelfs dit beetje vrijheid kunnen ze niet volledig benutten. Ze komen vooruit alsof ze op de snelweg in een file staan, als de auto’s slechts de beschikking hebben over één rijbaan. Pas als één auto in de file een stukje doorrijdt, komen daarachter rijdende auto’s ook vooruit.
De elektronen in een nanodraad kunnen nu slechts geselecteerd energie opnemen, wat ook tot uiting komt in de elektrische geleidbaarheid, die nauwkeurig is gemeten tijdens het onderzoek. De onderzoekers konden de file van elektronen aantonen met zeer gevoelige meetmethoden (rastertunnelmicroscopie en foto-emissie).
Nanostructuren
Het heeft tientallen jaren geduurd om de bijzondere elektronentoestanden experimenteel in atomaire nanostructuren op te wekken. Dat komt vooral omdat de gebruikelijke geproduceerde nanodraden te dicht bij elkaar liggen en elkaar wederzijds beïnvloeden.
De onderzoekers uit Würzburg hebben dit probleem twee jaar geleden opgelost door goudatomen zodanig op een germanium plaatje te dampen, dat atomen zichzelf tot rechte, parallel lopende kettingen rangschikken, die voldoende ver van elkaar verwijderd liggen.
De fysici willen de nanodraden nu als atomaire bouwdoos gebruiken. Ze denken er bijvoorbeeld aan om tussen de draden contacten uit de aparte atomen of moleculen in te bouwen, wat zou leiden tot minieme atomaire schakelelementen. Zo willen ze op dit minieme vlak zoeken naar nog meer elektronische fenomenen. Deze kennis zou voor de snel voortschrijdende miniaturisering van elektronische producten zoals computers zeer waardevol zijn.
