Op een pixelig zwart-witfilmpje zien we turnster Sanne Wevers op de balk, tijdens de kwalificatie bij de Olympische Spelen van Parijs 2024. Dit is een van de fragmenten op nanoschaal van Nederlandse atleten, gemaakt bij het Nanolab in Twente. „Wevers’ knotje was in onze frames een micrometer groot – dat is honderd keer kleiner dan de dikte van een velletje papier”, vertelt Femke Witmans.
Witmans promoveerde op 20 juni bij de Universiteit Twente op onderzoek naar de eigenschappen van flinterdunne nanodraden, die duizend keer dunner zijn dan een haar. Dit is een veelbelovend materiaal voor toekomstige quantumcomputers en energie-efficiënte elektronica. „Maar voordat het zo ver is moeten we dit materiaal beter begrijpen door te meten hoe elektriciteit precies door zo’n draadje beweegt”, vertelt Witmans.
Tijdens haar onderzoek maakte Witmans zeker veertig chipjes van een vierkante centimeter groot waarop ze handmatig enkele tientallen nanodraadjes aanbracht en verbond met piepkleine elektronische componentjes. „Ik denk dat ik in de afgelopen vier jaar ongeveer 1.500 meetstructuren van een paar micrometer groot heb gemaakt”, vertelt ze in een van de labs waar ze werkte. De grote aantallen waren nodig omdat de systemen regelmatig kapot gingen en om verschillende tests te kunnen doen met verschillende materialen.
In het lab plukte ze, turend door een microscoop, nanodraadjes van een groeioppervlak om ze op haar meetchip te plaatsen. Vervolgens bracht ze de benodigde elektronische componenten aan die ze verbond met de nanodraden door er dunne, spinragachtige draden tussen te rijgen. „Daarvoor gebruikte ik een minuscule naald. Als de draad daaruit loskwam, moet ik hem terug priegelen.”
Dat priegelwerk beviel zo goed dat ze vorig jaar zomer, met drie collega-promovendi, extra uren in het lab doorbracht om topatleten te vereeuwigen op de nanoschaal – onder de naam Nanolympics. Negen nanofilmpjes van onder meer de finale van roeister Karolien Florijn, de teamsprint baanwielrennen en de sensationele estafettesprint van Femke Bol deelden ze op sociale media.
Hoe kwamen jullie op het idee van Nanolympics?
„We wilden mensen buiten de UT kennis laten maken met nanotechnologie en laten zien wat we kunnen maken op deze kleine schaal. Er vindt op dat gebied namelijk veel innovatie plaats. Omdat we alle vier van sport houden, kwamen we op het idee om – meeliftend op de Olympische Spelen – atleten na te maken op nanoschaal. We begonnen een halfjaar van te voren met testen. Toen de Spelen begonnen konden we binnen een dag een fragment namaken. We kregen veel leuke reacties, ook van mensen buiten de UT. We hebben ons doel dus bereikt.”
Hoe maak je zo’n nanofilmpje?
„Nadat we een fragment gekozen hadden, maakten we daarvan een soort stop motion-filmpje door het op te knippen in 15 frames per seconde. De pixels van de videoframes zette ik op de computer om in blokjes. Die blokjes tekenden we daarna op een chip van 5 bij 5 millimeter met elektronenlithografie. Daarmee kun je met een bundel van elektronen gaten schieten in een elektrongevoelige laag op de chip. Zo tekenden we alle frames van een fragment van een paar seconden, pixel voor pixel, naast elkaar op een chip.
„De pixels-blokjes waren 300 nanometer (0,0003 millimeter) groot en de atleten enkele tientallen micrometer (honderdsten van een millimeter). Die pixel-gaatjes vulden we daarna op met metaal dat reflecteert als je er een foto van maakt met een elektronenmicroscoop – die dit soort kleine structuren in beeld kan brengen. Zo maakten we foto’s waardoor je de atleet ziet oplichten tegen de donkere achtergrond. Door die frames snel achter elkaar af te spelen maakten we filmpjes.”
De nanodraadjes kunnen bouwstenen zijn voor
een quantumcomputer
Hoe relateerde de Nanolympics aan het promotieonderzoek?
„Ik gebruik precies dezelfde fabricagestappen om de meetstructuren te maken die ik onderzocht heb. Maar dan zitten er tussen de metalen structuren nanodraadjes van tin-telluride waarvan ik elektrische eigenschappen heb gemeten.”
Waarom zijn die draden interessant?
„In theorie zouden het zogeheten topologische isolatoren moeten zijn. Dat zijn materialen die aan het oppervlak stroom geleiden en binnenin isolerend zijn en dus geen stroom geleiden. Dat is bijzonder, want normaal gesproken is een materiaal een geleider óf een isolator. Die materiaaleigenschap is op fundamenteel niveau interessant. Maar je zou het bijvoorbeeld ook kunnen gebruiken voor energie-efficiënte elektronica, omdat een elektrische stroom die over het geleidende oppervlak loopt weinig weerstand ondervindt.
„Het wordt nog interessanter als je de nanodraadjes bedekt met een supergeleider – dat is een materiaal dat weerstandsloos en dus heel efficiënt stroom geleidt.”
Wat kun je daarmee?
„In nanodraden die bedekt zijn met een supergeleider zouden zogeheten majoranatoestanden kunnen ontstaan. Daarbij gedragen elektronen in het materiaal zich op bepaalde plekken collectief als een soort deeltje.
„Nanodraadjes met majoranatoestanden zouden kunnen dienen als bouwstenen voor een zogeheten topologische quantumcomputer die belooft minder foutgevoelig te zijn dan andere type quantumcomputers. Maar voorlopig bestaan ze alleen op papier.
„Het doel van mijn onderzoek was om te onderzoeken of nanodraadjes van tin-telluride, bedekt met het supergeleidende materiaal niobium, geschikt zijn om deze majoranatoestanden in te detecteren.”
Is dat gelukt?
„Ik heb nooit een systeem gemaakt waarin je majoranatoestanden zou kunnen detecteren. En bij het meten van de materiaaleigenschappen ben ik erachter gekomen dat de binnenkant van de nanodraadjes niet isolerend is, zoals de theorie voorspelt. Wel bleek het kale oppervlak beter elektrische stroom te geleiden dan de binnenkant. Maar voor bijvoorbeeld het meten van majoranatoestanden is die geleiding binnenin vervelend. Dat zorgt namelijk voor wanorde en extra ruis die zo’n meting verstoort.
„Ik heb ook gekeken naar het combineren van een nanodraadje met een supergeleider. Het lukte om op die manier supergeleiding te krijgen op het oppervlak van het nanodraadje. Dat is wel een mooie stap naar majoranatoestanden.”
