Superzuinige elektronica door atomaire lego

We kunnen tegenwoordig atomaire lego spelen. Nieuwe materialen worden nu op de minuscule schaal van individuele atomen ontworpen, in functie van de gewenste eigenschappen. Er is zo een nieuw materiaal ontwikkeld dat zowel ultradun is als een perfecte geleider. Door die combinatie van eigenschappen komt compactere en veel zuinigere elektronica een stap dichterbij.

De kost van de cloud

Wanneer we de cloud gebruiken om bestanden op te slaan en te delen zijn we soms geneigd om te denken dat die ergens in de lucht hangen. Maar in de realiteit worden deze natuurlijk verwerkt in immense datacentra door zeer krachtige computers. Het grootste datacentrum van Europa, 11 voetbalvelden groot, staat in het noorden van Zweden, vlakbij de noordpoolcirkel (zie openingsbeeld). 

Deze locatie is niet lukraak gekozen. Onze huidige computers produceren zeer veel warmte. Dankzij het koude klimaat in het Hoge Noorden kan men de temperatuur in het datacentrum beter onder controle houden. Maar dit biedt geen échte oplossing voor het probleem: de energie die in warmte wordt omgezet, is helaas verspild.

Het probleem wordt ook groter doordat we steeds meer apparaten aan het Internet koppelen, door de opkomst van het Internet of Things, zelfrijdende auto's, etc. Willen we de ecologische voetafdruk van het internet in de toekomst binnen de perken houden, dan zijn nieuwe technologieën noodzakelijk.

Superzuinig door supergeleiding

De reden voor de verhitting van computers moeten we zoeken bij de deeltjes die onze elektronica doen werken, de elektronen. Terwijl ze bij geleiding door het materiaal  bewegen botsen ze soms tegen andere deeltjes in het materiaal en verliezen daarbij energie in de vorm van warmte.

Verrassend genoeg bestaan er ook materialen waarin de energieverliezen door botsingen tot nul worden herleid. Deze materialen worden supergeleiders genoemd. Doordat elektrische geleiding in supergeleiders 100 procent efficiënt verloopt, worden ze vandaag al gebruikt in toepassingen waar heel sterke elektromagneten voor nodig zijn, zoals bijvoorbeeld Magnetic Resonance Imaging (MRI) in de medische sector en magnetische leviterende hogesnelheidstreinen (MAGLEV).

Maar supergeleiders bieden ook nieuwe perspectieven voor kleinere toepassingen zoals nieuwe computerchips. Elektronica op basis van supergeleidende materialen kan niet enkel honderd keer zuiniger maar ook tot duizend keer sneller werken.

Lego met atomen

Het dunner en dus compacter en lichter maken van nieuwe elektronische componenten is ook een belangrijke uitdaging, waar in dit onderzoek op werd ingezet. Tegenwoordig kunnen we materialen namelijk zo dun maken als enkele atomen of zelfs één atoom.

Het eerste materiaal van slechts één atoom dik, grafeen genaamd, werd in 2004 gemaakt. Sindsdien staan ultradunne materialen in het centrum van de belangstelling in de fysica en de technologie. Ze hebben als voordelen dat ze dunner en dus ook lichter zijn en dat verschillende atoomlagen gestapeld kunnen worden. Met zo’n atomaire lego kunnen we de eigenschappen van de verschillende lagen combineren, in functie van de gewenste toepassing.

De eigenschappen van materialen hangen bovendien sterk af van de bouwblokjes of chemische elementen waaruit ze zijn opgebouwd. Er zijn tachtig verschillende chemische elementen waar we een quasi oneindig aantal structuren mee kunnen maken die heel verschillend met elektriciteit omgaan, van isolatoren tot supergeleiders.

Ik bouw een supergeleider laag per laag op door bij iedere stap de eigenschappen van het materiaal te berekenen en daaruit de volgende stap te bepalen.

Elektronenparen

Om een nieuw supergeleidend materiaal te ontwerpen bracht ik het microscopische mechanisme verantwoordelijk voor supergeleiding in rekening. Dit is de vorming van paren van elektronen, die een elektrische stroom kunnen geleiden zonder te botsen met andere deeltjes.

Omdat elektronen negatief geladen deeltjes zijn, zouden twee elektronen elkaar normaal gezien afstoten volgens de klassieke elektriciteitsleer. Bij supergeleiding is er echter een lijm die de elektronen paren doet vormen, en geleverd wordt door trillingen van de atomen, een soort atomaire muziek dus.

De supergeleidende elektronenparen gaan helaas wel stuk bij een te hoge temperatuur, en daarom moet er gekoeld worden tot beneden een zogenaamde kritische temperatuur om het materiaal te laten supergeleiden. In dit onderzoek werd dan ook getracht om deze kritische temperatuur zo hoog mogelijk te krijgen, door zo sterk mogelijke elektronenparen te creëren.

Het nieuwe in de aanpak hier is dat ik het gedrag de trillende atomen, de elektronen en de wisselwerking tussen beide volledig in rekening heb gebracht om nieuwe supergeleiders te ontwerpen.

Voor deze beschrijving vertrok ik van de fundamentele wetten van de kwantumfysica, die de wereld van de allerkleinste deeltjes beschrijft. Omdat de combinatie van alle wisselwerkingen tussen de deeltjes een heel complex probleem vormt, maakte ik in dit onderzoek gebruik van krachtige supercomputers, met de rekenkracht van duizenden gewone pc’s.

Een snuifje waterstof

Ik kwam zo uit op een nieuwe materiaal opgebouwd uit één laagje van het element boor en één van magnesium als een nieuwe supergeleider. Hierin zitten verrassend genoeg drie verschillende soorten elektronenparen, die op een andere manier op de muziek van de atomen dansen. Ik heb aangetoond dat supergeleiding in dit nieuwe materiaal sterker is dan in andere ultradunne materialen door samenwerking van de verschillende elektronenparen.

Door nog een extra laag van het lichtste chemische element, waterstof, toe te voegen ging de atomaire muziek als akkoorden van verschillende trillingen samen klinken, wat de supergeleiding nog verder versterkt. Zo heb ik de kritische temperatuur kunnen verhogen tot 100 graden boven de laagst mogelijke temperatuur, het absolute nulpunt (-273 °C).

Dat klinkt natuurlijk nog altijd erg koud, maar het koelen van de supergeleider is nu toch vele malen eenvoudiger, omdat goedkopere en makkelijker toepasbare methoden gebruikt kunnen worden. Dit nieuw ontworpen materiaal van slechts drie atoomlagen dik is daarmee één van de beste ultradunne supergeleiders ter wereld.

Ondertussen zijn de voorspellingen ook experimenteel getest – voorlopig nog zonder waterstof. Met licht opgewekt in een deeltjesversneller werden de supergeleidende elektronen in beeld gebracht. Omdat dit experiment de belangrijkste voorspellingen bevestigd heeft, ligt de weg nu open om toepassingen te ontwikkelen voor nieuwe, superzuinige elektronica.

Voor zijn onderzoek naar een nieuw, atomair ontworpen materiaal is Jonas Bekaert (Fysica, UAntwerpen, FWO) genomineerd voor de Vlaamse PhD Cup 2018. Stemmen kan HIER.