Computerchips die niet warm worden, hoeveel transistors je er ook op propt. Nauwgezet onderzoek van splinternieuwe materialen. Quantumbits die op afstand met elkaar communiceren. Het zijn slechts drie van de toepassingen die in beeld komen dankzij een ontluikend vakgebied: het meten van magneetvelden op nanoschaal met behulp van diamant. Aan de TU Delft is dr.ir. Toeno van der Sar een nieuwe vakgroep gestart om zich daarop te richten.
Hoe doe je dat dan, magneetvelden meten met een stukje diamant? Om te beginnen moet de diamant die je gebruikt niet loepzuiver zijn. Ergens in het kristalrooster moet de plek van één koolstoofatoom zijn ingenomen door een stikstofatoom. Bovendien moet er pal naast dat stikstofatoom een lege plek zitten. Die combinatie heet een nitrogen-vacancy center of nv center, en vormt dankzij twee overtollige elektronen feitelijk een magneetje. Dat kan je gebruiken om op kleine schaal het magneetveld te kunnen meten.
Spintronics
Met een eerste toepassing van deze diamanten magneetmeter haalde Van der Sar met zijn voormalige collega’s van Harvard University deze zomer het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Science. Daar draaide het om zogenoemde spingolven, oftewel golven die door een magnetisch materiaal kunnen reizen zonder dat de deeltjes waar het materiaal uit bestaat van hun plek komen.
Met een diamant waarin zo'n nanomagneetje zit, kun je meten waar die spingolf zich precies bevindt en waar hij naartoe zal stromen. ‘Dat hadden we van tevoren helemaal niet bedacht’, zegt Van der Sar. ‘We hielden alleen een nv center bij zo’n magnetisch materiaal en vroegen ons vervolgens af: wat meten we nu precies? En wat kunnen we daaruit afleiden?’
Met hun spingolvenmeting sluit het Harvard-team aan bij een vakgebied dat flink in de belangstelling staat. Spingolven vormen namelijk een cruciaal onderdeel van spintronics, een technologie waarmee wellicht een groot nadeel van onze huidige elektronica is aan te pakken. Momenteel werken onze transistors namelijk dankzij bewegende elektronen. Daarbij ontstaat warmte, wat de voornaamste bottleneck vormt bij het sneller maken van computers: op een gegeven moment kunnen er niet meer transistors op een chip omdat de boel anders simpelweg te heet wordt. Bij een spingolf heb je dat probleem echter niet, waardoor je meer transistors op een oppervlak kunt plaatsen.
Bijzondere materialen
Aan de TU Delft wil Van der Sar zich met zijn nieuwe groep onder andere gaan richten op quantum devices. Denk daarbij bijvoorbeeld aan qubits, de bits die 'nul en één tegelijk kunnen zijn' waar de quantumcompter zijn werk mee doet. Maar Delftse onderzoekers publiceerden eerder dit jaar ook over een supergeleidend structuurtje dat op een chip microgolven kan opwekken.
‘Vaak gaat hoe goed zulke devices werken hand in hand met waar de stroom precies loopt. Er is alleen geen techniek waarmee je die stroom kunt zien.’ Behalve dan de techniek van Van der Sar. Een elektrische stroom genereert immers een magnetisch veld en dat is precies wat je met een nv center kunt meten.
In eerste instantie zal de kersverse groep zich echter vooral richten op bijzondere materialen. Een openstaande vraag is bijvoorbeeld hoe het kan dat sommige materialen bij hoge temperatuur supergeleidend zijn, dus hun weerstand verliezen. ‘Ik zeg niet dat ik dat probleem even ga oplossen’, zegt Van der Sar, ‘maar volgens mij heeft nog niemand op nanoschaal de magneetvelden van zo’n supergeleider gemeten. En daar kunnen interessante dingen uit komen.’
Meer weten over de fysica achter en de toepassing van nv centers in diamant als magneetveldmeter? Lees het artikel 'Ienie minie magnetisme' in het septembernummer van De Ingenieur. Neem een proefabonnement voor 25 euro.
Illustratie: Peter and Ryan Allen/Harvard University
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.