Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Recept voor isolerende bouwmaterialen brengt kwantumcomputer dichterbij

Leidse natuurkundigen hebben de systematiek ontdekt achter isolerende materialen waarin collectief kwantumgedrag van elektronen ongestoord kan blijven bestaan. Het gaat om zogenoemde topologische isolatoren. Met het Leidse ‘recept’ wordt het eenvoudiger materialen te zoeken waarmee supersnelle elektronica gebouwd kan worden, en mogelijk een kwantumcomputer. De ontdekking staat beschreven in Nature Physics.

De Leidse onderzoekers identificeerden 18 verschillende topologische isolatoren in tweedimensionale kristallen, en minstens 70 in driedimensionale kristallen

Wezenlijk nieuwe elektronica

Vladimir Juričić, een van de onderzoekers: ‘Onze classificatie opent de weg voor een systematische zoektocht naar hoogwaardige bouwmaterialen die wezenlijk nieuwe elektronica mogelijk maken. Er bestaan veel meer van dit soort materialen dan men voor mogelijk hield.’ De Leidse groep identificeerde 18 verschillende topologische isolatoren in tweedimensionale kristallen, en minstens 70 in driedimensionale kristallen.

Kwantumdeeltjes

De kwantumfysica heeft ongekende wegen geopend naar ultrasnelle en krachtige elektronica: steeds kleinere chips, miniatuurschakelingetjes en in de toekomst hopelijk de kwantumcomputer, die vele ingewikkelde berekeningen tegelijk zal kunnen uitvoeren. Dit kan allemaal doordat kwantumdeeltjes verschillende dingen tegelijk zijn, en op verschillende plaatsen tegelijk kunnen zijn.

Bouwmateriaal

Dit bizarre kwantumgedrag is echter zeer kwetsbaar en verdwijnt onmiddellijk bij aanraking met de gewone buitenwereld. Wetenschappers zijn dan ook naarstig op zoek naar materialen die dit gedrag vast kunnen houden op macroscopische schaal. Die materialen kunnen dan gebruikt worden als bouwmateriaal voor de elektronica van de toekomst.

Collectief gedrag

Kort geleden is ontdekt dat zulke materialen inderdaad bestaan. In die materialen vertonen alle elektronen samen collectief kwantumgedrag, maar de individuele elektronen kunnen niet bewegen. Dat laatste maakt het materiaal elektrisch isolerend. Onderzoekers speuren nu via trial en error naar deze materialen. Het geheim en de systematiek erachter was echter nog een raadsel. De Leidse fysici hebben die systematiek ontdekt en een classificatie gemaakt van isolatoren.

Onontwarbare knoop

Volgens de kwantummechanica zijn elektronen zowel deeltjes als golven. In topologische isolatoren vormen de golffuncties van alle elektronen samen één grote onontwarbare knoop. Die knoop zorgt voor het collectieve kwantumgedrag van de elektronen. Hoe die knoop eruit ziet en hoe stabiel daarmee het kwantumgedrag is, wordt bepaald door de specifieke symmetrie van de kristallen in een materiaal, zo ontdekten de Leidenaren. Hiermee is de zoektocht naar materialen met geschikte kristalsymmetrieën geopend.

Majoranadeeltjes

Zodra de golffunctieknoop de buitenwereld raakt, vormt zich een onverwoestbaar metalen laagje aan het oppervlak van het kristal, dat zorgt voor speciale geleidende toestanden die het kwantumgedrag ontsluiten voor de technologie. Ze maken het onder meer mogelijk Majoranadeeltjes te creëren, zoals recente experimenten in Delft hebben laten zien.

Robert-Jan Slager, Andrej Mesaro, Vladimir Juričić en Jan Zaanen ‘The space group classification of topological band-insulators’. Nature Physics December 2012. Vladimir Juričić heeft een Veni-beurs van NWO. Jan Slager werkt in het nationale FOM-programma voor topologische isolatoren. Jan Zaanen gebruikte zijn Spinoza-prijs voor dit onderzoek.