Van het tweedimensionale materiaal germaneen (een neefje van grafeen) zijn smalle strookjes te maken, die onverwachte eigenschappen blijken te bezitten. Mogelijk kan een toekomstige quantumcomputer hiervan profiteren.


Met de ontdekking van grafeen, in 2004, opende zich een heel nieuwe richting voor materiaalkundig onderzoek. Sindsdien hebben natuurkundigen verschillende soorten materialen gemaakt en onderzocht die bestaan uit grote twee dimensionale vlakken van slechts één atoom dik.

Strookjes op nanoschaal

Een ervan is germaneen, een materiaal dat bestaat uit germaniumatomen. Uit dat materiaal zijn op nanoschaal strookjes te vervaardigen – nanobanden genaamd, nanoribbons in het Engels – die opmerkelijk gedrag vertonen, zo laten onderzoekers aan de Universiteit Twente en de Universiteit Utrecht zien.

Kandidaat voor gebruik in quantumcomputers

Maak je steeds smallere strookjes germaneen, dan is er een ondergrens bij ongeveer twee nanometer, waar het gedrag van het materiaal ineens omslaat, zo beschrijven ze in een artikel in vakblad Nature Communications, dat vorige week verscheen. De nanoband is dan zo smal, dat het zich als een eendimensionaal materiaal gedraagt, met aan de beide uiteinden bijzondere toestanden van het materiaal. Dit maakt zo’n smal nanolintje een kandidaat voor gebruik in toekomstige quantumcomputers.

Experimenten in ultrahoog vacuüm

Het maken van nanobanden is echter nog niet zo eenvoudig, vertelt promovendus Dennis Klaassen. ‘Anders dan grafeen, dat met een plakbandje van een stuk grafiet is te halen, kun je germaneen niet los in de lucht laten zweven. Dan zou het meteen oxideren. Om diezelfde reden doen we onze experimenten in ultrahoog vacuüm.’ Dat wil zeggen: de druk in het apparaat is honderd biljoen keer zo laag als de luchtdruk.

Platina

Een stukje germanium fungeert als de basis waarop de nanobanden uiteindelijk moeten komen. Op dat germanium komt een enkele atoomlaag platina-atomen te liggen, waarna het geheel tot 1100 Kelvin wordt verhit, ruim 800 graden Celsius. ‘Hierdoor smelt het materiaal en verspreidt het platina zich gelijkmatig over het oppervlak, vertelt Klaassen. Dat is pas stap één; bij het afkoelen gebeurt het: ‘Dan migreren de germaniumatomen omhoog naar het oppervlak. Zo ontstaat een vast, dun laagje germaneen op het platina.’

Afbeelding gemaakt met een scanning tunneling microscoop (STM) van verschillende, parallel liggende germaneen nanobandjes. Links zijn los liggende 'nanoribbons' zichtbaar, terwijl rechts een rijtje nanoribbons ligt. Beeld: Klaassen et al., Nature Communications, 2025.

Lang en smal

Dat laagje wordt lang en smal, doordat het kristalrooster van het platina beter in de lengte matcht met het germaniumkristal dan in de breedte. Germaniumatomen gaan dus ‘liever’ in de lengte in het aangroeiende germaneenkristal liggen. Het resultaat van dit groeiproces zijn talloze nanobanden van honderden nanometers lang, maar met verschillende breedten voor op het oppervlak, variërend van een tot circa tien nanometer. ‘We hebben geen controle over de dimensies van de nanobanden’, zegt Klaassen.

Bijzonder materiaal

De onderzoekers ontdekten dat het gedrag van zo’n nanoband anders is wanneer de breedte van de band onder de grens van ongeveer twee nanometer komt. Is de nanoband nog relatief (maar zes nanometer!) breed, dan is het een zogeheten tweedimensionale topologische isolator. Dat is een bijzonder materiaal. ‘Het geleidt alleen stroom langs de randen, terwijl het verder isolerende eigenschappen heeft. De theorie voorspelt dat de elektrische stroom langs deze randen ook nog eens zonder energieverlies vloeit’, zegt Klaassen. Deze afwijkende verschijnselen aan de randen worden edge states genoemd, randtoestanden.

Afwijkende toestand aan begin en einde van strookje

Nu is dat op zich al een boeiend materiaal, maar nog gekker wordt het wanneer een smallere nanoband wordt gefabriceerd. Beneden de genoemde twee nanometer verdwijnen die randtoestanden en wordt het hele nanobandje isolerend, behalve aan de uiteinden. Aan begin en einde van de lange dunne structuur bevindt het materiaal zich in een afwijkende toestand. Klaassen: ‘Nu is het bandje zó smal, dat het in feite een ééndimensionale structuur is, een lijn. Dit is dus een ééndimensionale (1D) topologische isolator; de twee uiteinden bevinden zich in een bijzondere staat, end states genaamd.’

Hoge-resolutie microscoopopname van verschillende nanoribbons. Beeld: Klaassen et al., Nature Communications, 2025.

Twee uiteinden zijn met elkaar gecorreleerd

De twee staten in de uiteinden van een supersmal nanobandje zijn met elkaar ‘gecorreleerd’, zoals natuurkundigen denken. ‘Als je het ene uiteinde zou veranderen, dan verandert de andere kant mee, is de gedachte’, legt Klaassen uit. Ze zijn, met een andere term, verstrengeld. In theorie zou informatie instantaan kunnen worden uitgewisseld tussen het ene en het andere uiteinde van de nanoband.

Materialen niet gevoelig voor defecten

Klaassen en collega’s zijn in deze exotische materialen geïnteresseerd omdat de 1D topologische isolatoren mogelijke kandidaten zijn voor gebruik in toekomstige quantumcomputers. De materialen zijn robuust: niet gevoelig voor defecten, zoals een ontbrekend atoom in het rooster, of andere lokale onzuiverheden. ‘Dit maakt ze ideaal voor quantumtechnologie, zoals voor foutbestendige qubits’, schrijft de Universiteit Twente in een nieuwsbericht.

Detail-microscoopbeeld met atomaire resolutie van een nanobandje van germaneen , waarop duidelijk de honingraatstructuur van het materiaal te zien is, en de zigzagvorm van de rand. Beeld: Klaassen et al., Nature Communications, 2025.

Nanobanden naast elkaar leggen

Van de bredere tweedimensionale (2D) nanobanden is vooral de eigenschap dat de randen zeer goed elektrische stroom geleiden interessant. Wel hoort daar nog een kanttekening bij. Door de kleine schaal is de hoeveelheid stroom die erdoorheen kan, en daardoor de praktische toepasbaarheid, zeer beperkt. ‘Daarom is het van belang om zo veel mogelijk nanobanden naast elkaar te leggen. Dan kunnen we die geleidbaarheid van de randtoestanden bij elkaar optellen. In dit onderzoek hebben we laten zien dat we heel veel nanobanden naast elkaar kunnen groeien. De 2D nanobanden zouden van groot belang kunnen zijn voor topologische elektronica zoals efficiëntere, snellere en kleinere transistoren dan wat we nu gewend zijn’, zegt Klaassen.

 

Openingsbeeld: Artist impression van een aantal nanoribbons naast elkaar. Illustratie: Physics of Interfaces and Nanomaterials (PIN) onderzoeksgroep, Universiteit Twente.