FOM

NWO - Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek - print-logo

URL voor deze pagina :
https://www.fom.nl/nieuws/2002/08/15/alex-yanson-wint-andries-miedema-prijs-2002/

Geprint op :
24 maart 2017
18:53:48

Met een relatief eenvoudige mechanische techniek is het mogelijk tussen perfect schone uiteinden van twee stukken metaal draden te trekken die slechts miljoensten van een millimeter dik zijn. Yanson bestudeerde de verschillende manieren waarop deze zogeheten nanodraden zich vormen, en vond nieuwe effecten in zowel de atomaire als de elektronische structuur van de nanodraden. Hij ontdekte dat sommige draaddiktes extra stabiel zijn, wat hij verklaart met het elektronische schileffect. Verder maakte hij kettingen van slechts enkele goudatomen, die unieke eigenschappen blijken te bezitten en onder andere perfecte elektrische geleiders zijn.

Yanson, geboren in 1975 in Charkov, Oekraïne, studeerde van 1991 tot 1996 natuurkunde aan de Universiteit van Charkov. In 1996 kwam hij naar de Universiteit Leiden voor zijn promotieonderzoek. Momenteel zet deze talentvolle jonge onderzoeker zijn wetenschappelijke carrière voort als postdoc in de groep van professor Paul McEuen aan de Cornell University te Ithaca, Verenigde Staten. Het proefschrift viel al eerder in de prijzen. Yanson kreeg in 2001 de COMOP-Prijs 2001, die de onderzoekschool Condensed Matter and Optical Physics jaarlijks uitreikt aan haar beste promovendus.

De Stichting FOM reikt de Andries Miedema-Prijs sinds 1994 elke twee jaar uit aan diegene die de afgelopen twee jaar het beste promotieonderzoek op het gebied van de gecondenseerde materie uitvoerde. Naamgever Andries Miedema (1933-1992) was één van de zeer weinigen die erin slaagde leiderschap in fundamenteel onderzoek, in industriële research én in het nationale en Europese onderwijs- en onderzoeksbeleid te combineren. De prijs zal later dit jaar worden uitgereikt.

Achtergrondinformatie over het onderzoek Nanodraden met unieke eigenschappen
Centraal in het onderzoek van dr. Alex Yanson staan nanodraden, draden met een dikte van enkele nanometers en hun eigenschappen. Om nanodraden te maken gebruikte Yanson de zogenaamde breekjunctietechniek. Met deze techniek brak hij een metaal bij lage temperatuur en onder vacuüm in twee stukken met schone breukvlakken. Daarna bracht Yanson de oppervlakken weer met elkaar in contact, waarbij atomair schone en stabiele puntcontacten ontstonden. Vervolgens rekte hij dit contact op. Net als bij het uitrekken van kauwgum tussen de vingers, ontstond zo een overbrugging van enkele nanometers dik. Bij verder oprekken wordt deze nanodraad geleidelijk dunner tot een verbinding van slechts een enkel atoom dik overblijft. Op deze manier kunnen achtereenvolgens een onbeperkt aantal nanodraden gevormd worden uit één breekjunctie. Yanson bestudeerde statistisch de eigenschappen van deze nanodraden door het meten van de elektrische geleiding, die een maat is voor allerlei meetbare grootheden zoals de dikte van de nanodraad.

Elektronisch schileffect zorgt voor stabiliteit
Tijdens het vormen van de nanodraden verwacht men elke dikte tegen te komen. Yanson vond echter dat nanodraden met bepaalde doorsneden vaker voorkomen, ofwel stabieler zijn, dan andere. Dit effect gaat tegen onze intuïtie in; in het dagelijks leven is een dunnere draad altijd makkelijker te rekken of breken dan zijn dikkere broertje. Yanson deed de experimenten met de zogenaamde alkalimetalen, waartoe onder andere natrium en kalium behoren, en ontdekte dat het effect pas optreedt als de draad dunner dan tien nanometer (enkele honderden atomen) wordt.

De elektronen van een alkalimetaal zijn te beschrijven als een gas van vrije elektronen. Dit gas speelt een belangrijke rol in de samenhang van deze metalen. Het onderzoek van Yanson laat zien dat de vrije elektronen verantwoordelijk zijn voor het optreden van een zogenaamd schileffect, dat leidt tot een verhoogde stabiliteit van draden met bepaalde diameters. De elektronen bewegen vrij in de lengterichting van de draad, maar zijn gelokaliseerd in twee richtingen loodrecht daarop. Dit leidt tot ontaarding van de energieniveaus, die in groepjes bij elkaar komen te liggen. Als zo'n groepje volledig gevuld is met elektronen, ontstaat een extra stabiele draad. Eigenlijk is dit effect in alle atoomkernen aanwezig en speelt ook een rol in het bekende periodiek systeem voor atomen. De systemen waarin dit effect bekend is waren tot nu toe ruimtelijk beperkt in drie dimensies. Yanson liet als eerste zien dat het elektronisch schileffect optreedt in de nanodraad, een systeem dat in één richting open, oneindig, is.

Kettingen van enkele atomen
Het uitrekken van een nanodraad eindigt bij een draad die bestaat uit één atoom, het kleinste contact dat kan bestaan tussen de twee metalen oppervlakken. Als we aan het één-atoomcontact blijven trekken, is het logisch dat het contact op een gegeven moment breekt. De meeste metalen breken inderdaad maar Yanson vond een uitzondering: goud. In plaats van breken, worden andere atomen uit het metaal getrokken tot een ketting van maximaal acht atomen. De elektrische geleiding blijft gelijk aan die van het één-atoomcontact. Een dergelijke ketting is een systeem met één dimensie, de lengte. Omdat het ook een geleider is, is de ketting zeer geschikt om diverse theorieën te testen. Yanson vond dat deze kettingen van goud perfecte elektrische geleiders zijn en zeer elastisch en sterk. Ook zijn de draden lange tijd stabiel bij lage temperaturen (4 Kelvin, ofwel -269 graden Celsius). De draden zijn in staat geweldig grote elektrische stromen te doorstaan, tot 150 microampère. Gezien de kleine doorsnede van de draad is dit een stroomdichtheid die tien miljoen maal groter is dan de dichtheid van de stroom door een gloeilamp.

Metalen op nanoschaal
Het werk van Yanson maakt deel uit van het vakgebied van de nanofysica, dat recent sterk in ontwikkeling is. De snel voortschrijdende miniaturisering van componenten in de elektronische industrie is een belangrijke drijfveer voor wetenschappelijk onderzoek naar de eigenschappen van elektrische geleiders van zeer kleine afmetingen. Dit onderzoek heeft inmiddels duidelijk gemaakt dat de elektrische geleidingseigenschappen van metalen ingrijpend veranderen wanneer de afmetingen in de buurt van een nanometer komen. Op deze schaal moeten de wetenschappers de klassieke natuurkundewetten vervangen door de wetten van de quantummechanica. Dit betekent dat elektronische schakelingen gebaseerd op klassieke verschijnselen niet meer zullen werken, maar de hoop is dat nieuwe, op quantummechanica gebaseerde verschijnselen benut kunnen worden. De Leidse onderzoeksgroep werkt hieraan verder.

Meer informatie over het onderzoek is te verkrijgen bij:
Prof.dr. Jan van Ruitenbeek, Universiteit Leiden, telefoon: (070) 527 54 50, of bij
Dr. Alex Yanson, Cornell University, Verenigde Staten, telefoon: +1 607 255 41 76.