First-principles studie van positronium gebonden toestanden nabij het oppervlak van topologische isolatoren

Wat antimaterie ons leert over nieuwe materialen

U heeft vast ooit al gehoord over antimaterie: De exotische tegenhangers van de deeltjes waaruit alles rondom u is opgebouwd. Als het in aanraking komt met materiedeeltjes worden ze beiden vernietigd en wordt hun massa omgezet in energie. Het lijkt u dan vast ook geen goed idee om een materiaal waar u de eigenschappen van wilt leren kennen te beschieten met dit goedje, of toch?

Video kijken op het internet in betere kwaliteit dan full HD, schermen met nog meer pixels, games met meer realistische graphics, … het komt er allemaal aan maar het vraagt behoorlijk wat rekenkracht van uw computer, tablet of gsm. Technologie blijft er snel op vooruitgaan en dat is deels doordat ingenieurs er steeds in slagen om de rekenkracht van computerchips verder de hoogte in te sturen. Om dit in de toekomst vol te houden is er nood aan nieuwe materialen. Vooraleer deze nieuwe materialen in uw computer belanden, dienen ze uitgebreid onderzocht te worden. In dit artikel leest u meer over 'topologische isolatoren', een klasse materialen die mogelijk interessant zijn voor computerchips, en hoe men ze kan onderzoeken.

Antimaterie en topologische isolatoren … Een korte toelichting.

Topologische isolatoren vormen een klasse van materialen die zich inwendig gedragen als een elektrische isolator maar aan het oppervlak wél elektriciteit geleiden. Bovendien vertonen de elektronen aan het oppervlak een bijzonder gedrag. Om uit te leggen wat er zo bijzonder is, moeten we eerst kijken wat 'normaal' gedrag voor een elektron in een materiaal inhoudt.

Een perfect kristal is opgebouwd uit een herhaling van de eenheidscel, een blokje met een welbepaalde schikking van atomen. De schikking en het type van de atomen in de eenheidscel bepalen de 'elektronische structuur' van een materiaal, dewelke o.m. vertelt of een materiaal zich gedraagt als een elektrische geleider of isolator. In het geval van een elektrische geleider zal een elektron doorheen het materiaal vliegen zonder ergens op te botsen. In realiteit bevinden er zich echter steeds fouten in een kristal, bijvoorbeeld een atoom dat op de verkeerde plek zit of een type atoom dat niet aanwezig hoort te zijn. Het is op deze fouten in een kristal dat elektronen botsen, waardoor ze van richting veranderen en energie verliezen. Dit is ook de reden waarom materialen warm worden als er stroom doorheen gestuurd wordt. 

De elektronische structuur van topologische isolatoren bepaalt dat het voor elektronen aan het oppervlak onmogelijk is om van richting te veranderen. Ze kunnen met andere woorden niet op fouten in het kristal botsen. In plaats daarvan zullen deze elektronen de fouten ontwijken, wat ze kunnen doen door even van het oppervlak weg te bewegen. Het uitblijven van botsingen zorgt er dus voor dat er geen warmte geproduceerd wordt. Hierdoor zijn topologische isolatoren interessant voor het gebruik in nieuwe computerchips, waar de warmteproductie in de chip een belangrijk probleem vormt. 

Alles wat u momenteel rondom u ziet, is opgebouwd uit materie. Elke fundamentele bouwsteen van deze materie heeft een partnerdeeltje met een tegengestelde elektrische lading, antimaterie genaamd. Zo heeft het elektron het positron als partner. Indien deze twee deeltjes samenkomen, annihileren ze een korte tijd later. Dit betekent dat ze elkaar vernietigen en daarbij twee fotonen (lichtdeeltjes) uitzenden in tegengestelde richting. Hierbij geldt steeds dat de energie en impuls van de twee fotonen gelijk is aan die van het oorspronkelijke elektron-positron paar.

Materialen bestuderen met positronen

Als een positron annihileert met een elektron uit een materiaal, dan zullen de twee fotonen onder een welbepaalde hoek van elkaar wegvliegen en zullen ze een zekere energie meedragen. Als dit proces in vacuum gebeurt, weet men heel nauwkeurig wat de waarden hiervoor zijn. De afwijkingen op deze waarden kunnen door onderzoekers nauwkeurig bepaald worden en vertellen meer over de eigenschappen van het materiaal. Alle elektronen in een materiaal bezitten namelijk een welbepaalde impuls en energie, welke vastgelegd wordt door de elektronische structuur. Als men erin zou slagen om positronen te laten annihileren met elektronen aan het oppervlak van een topologische isolator, dan kan men dus meer te weten komen over zijn bijzonder gedrag.

Dit is echter moeilijker dan het klinkt. Het oppervlak waar we over spreken, is immers slechts enkele atoomlagen dik. Als men positronen op een materiaal afschiet, dan vliegen ze meestal voorbij het oppervlak, dieper het materiaal binnen.

Uit theoretische berekeningen blijkt echter dat het wél mogelijk is om oppervlakken te bestuderen met positronen. Het leven van een positron verloopt dan als volgt: in een eerste stap wordt het deeltje afgeschoten op een materiaal, waar het dus voorbij het oppervlak vliegt en pas dieper in het materiaal tot stilstand komt. Hier kan het met een elektron uit het materiaal binden tot een exotisch materie-antimaterie atoom. Dit atoom zit echter liever buiten het materiaal dan erbinnen, waardoor het zich naar het oppervlak begeeft. Eens het zich boven het oppervlak bevindt, wordt het atoom terug naar het materiaal getrokken door zogenaamde Van der Waals interacties. Het resultaat is dat het atoom zich als een wolkje grotendeels boven het oppervlak bevindt en tot een tweetal atoomlagen binnen het materiaal. Dit laatste maakt het mogelijk dat het positron uit het atoom dicht genoeg bij een van de elektronen aan het oppervlak van de topologische isolator komt om te annihileren. De fotonen die zo ontstaan, dragen belangrijke informatie over het gedrag van deze elektronen. Aan de hand van deze informatie kan o.m. uitgemaakt worden welke topologische isolatoren het meest geschikt zijn voor gebruik in nieuwe computerchips.

Kortom, voor het bestuderen van speciale elektronen die obstakels op hun weg ontwijken, vormen nog exotischere materie-antimaterie atomen een uitkomst. Ofte, hoewel u antimaterie 'ver van mijn bed' dacht, levert het u misschien wel een koelere laptop op uw schoot.