Atomen voor nano dichterbij

De enorme opmars van de informatietechnologie is vooral te danken aan het steeds kleiner worden van de elektronische onderdelen van de computer. Kleiner betekent namelijk sneller en goedkoper. De afgelopen veertig jaar verdubbelde het aantal transistoren op een computerchip elke twee jaar. Over tien jaar echter, zo schat Trouwborst, is de limiet bereikt. Dan is een schaal bereikt waarop het principe van de transistor niet meer goed werkt.

Als men na die tijd nog snellere computers wil maken, moeten er nieuwe methoden worden ontdekt. Een mogelijkheid is het gebruik maken van atomen en moleculen. Het fundamentele onderzoek van Trouwborst naar elektronentransport door individuele atomen en moleculen past in deze speurtocht. Trouwborst ontwikkelde tijdens het onderzoek een nieuwe methode om goudatomen zo te ordenen, dat daarmee een zeer kleine mechanische schakelaar kan worden gemaakt: slechts één enkel goudatoom vormt het contact. Bovendien kon Trouwborst vervolgens een elektronische schakelaar van hetzelfde minuscule formaat construeren.

Kauwgum

De methode werkt met een zogenaamde breekjunctie. Eerst wordt een gouddraadje vastgezet op een stripje buigzaam plastic. Als het buigen van de strip voorzichtig gebeurt, wordt de gouddraad net als kauwgum steeds verder opgerekt. Net voor het breken heeft de draad een diameter van slechts één goudatoom. Bij heel voorzichtig verder buigen (op nanoschaal) komen de uiteinden een heel klein stukje van elkaar af. De draad is dan in feite gebroken. Maar de breuk is niet definitief. Heel, héél voorzichtig terugbuigen en de uiteinden klikken weer aan elkaar vast.

Trouwborst herhaalde dit heen en weer buigen veelvuldig en hij deed dat bovendien op een zeer gecontroleerde manier. Elk keer als de draad breekt, raken de atomen in debeide uiteinden anders gerangschikt. Trouwborst ontdekte dat die ordening steeds regelmatiger wordt. Uiteindelijk zie de puntjes eruit als netjes gestapelde piramides van biljartballen met aan de uiterste punt één atoom. ‘Door de twee uiteinden over een afstand van 0,1 nanometer heen en weer te bewegen kan de schakelaar aan en uit worden gezet,’ zegt Trouwborst. Het mooie van het systeem is dat men vervolgens een molecuul kan “vangen” tussen de uiteinden. Dat is handig voor het bestuderen van de elektronische eigenschappen van dit molecuul. Als elektrische spanning op de uiteinden wordt gezet, gaat alle elektronentransport door het ene molecuul in het midden.

In zijn onderzoek deed Trouwborst dit met waterstofmoleculen. Bij het opvoeren van de spanning gaat het waterstofmolecuul trillen tussen de uiteinden van de gouddraadjes. Trouwborst ontdekte dat de weerstand dan plotseling anders wordt, die springt als het ware een treedje omlaag . ‘Men kan het systeem dus aan- en uitschakelen simpelweg door de moleculen te laten trillen of niet,’ zegt Trouwborst. ‘Zo’n type schakelaar is nooit eerder vertoond.’

Oorzaak onbekend

Overigens geldt dat de precieze oorzaak van het schakelgedrag nog onbekend is. Trouwborst vermoedt dat het te maken heeft met een fase-overgang. Er is nog veel onderzoek nodig voordat de schakelaars toegepast kunnen worden. ‘Wel is het duidelijk,’ zegt Trouwborst, ‘dat dit nieuw inzicht geeft op weg naar het gebruik van moleculen als functionele bouwelementen voor de elektronica van de toekomst.’