Germaneen is een tweedimensionaal laagje germaniumatomen met de dikte van een enkel atoom, vergelijkbaar met grafeen dat bestaat uit koolstofatomen. Onderzoekers van de Universiteit Twente en Universiteit Utrecht hebben nu flinterdunne strookjes van germaneen gemaakt die ook in de breedte slechts luttele nanometers groot zijn.

Door hun unieke structuur fungeren deze zogeheten nanobanden als tweedimensionale topologische isolatoren: hoewel de binnenkant zich gedraagt als isolator, kan elektriciteit langs de randen stromen zonder energieverlies. En, zo ontdekte natuurkundige en promovendus Dennis Klaassen van de Universiteit Twente, bij de dunste nanobanden die slechts twee à drie atomen breed waren maakten deze zogeheten topologische randtoestanden plaats voor nog specialere eigenschappen. Klaassen: ‘Dat kwam als een totale verrassing.’

Verhitten en afkoelen

De onderzoekers groeiden de nanobanden op een rechthoekig substraat van germanium. ‘Het substraat moest hiervoor brandschoon zijn’, zegt Klaassen. Daarom schoten ze in een vacuümsysteem eerst argonionen af op het oppervlak. Die verwijderden door hun hoge energie de bovenste laagjes atomen van het substraat. Vervolgens deponeerden de onderzoekers een atomair dik laagje platina-atomen op het substraat, en verhitten het geheel naar ruim 800 °C. Klaassen: ‘Als het substraat vervolgens weer afkoelt, kruipen de germaniumatomen door het oppervlak naar boven en vormen ze daar een laagje germaneen.’

Dat de germaniumatomen nanobanden vormen, komt door de verschillen tussen de kristalroosters van platina en germaneen. Het rooster van germaneen past in de breedte namelijk niet goed in het platinarooster, vertelt Klaassen. ‘Doordat het germaneen wel in de lengte past, ontstaan er smalle, lange structuren. De breedte van deze nanobanden in onze experimenten varieerde hierbij tussen de één en tien nanometer.’

Verdwijnende randtoestanden

Vanuit de theorie verwachtten de onderzoekers dat de nanobanden topologische randtoestanden zouden bezitten. Die wisten ze experimenteel ook te bevestigen door metingen met een scanning tunneling microscoop (STM). Dit apparaat gebruikt een extreem scherpe metalen naald die idealiter aan de punt slechts één atoom dik is. Door een voltageverschil tussen de naald en het oppervlak aan te brengen, kunnen elektronen ertussen tunnelen – het kwantumfenomeen waarbij deeltjes ondanks een potentiaalbarrière een afstand kunnen overbruggen.

De zogeheten tunnelstroom die hierbij ontstaat is afhankelijk van de afstand tussen naald en oppervlak. ‘Door met de naald over het oppervlak te scannen en de tunnelstroom te meten, kan de STM bepalen waar de nanobanden liggen’, zegt Klaassen. ‘Komt de naald een nanoband tegen, dan meet deze een verhoogde tunnelstroom en weet het apparaat dat de naald iets omhoog moet.’

Op basis van een soortgelijke methode konden de onderzoekers de elektronische structuur van de nanobanden meten. ‘Bij de randtoestanden zijn meer elektronen beschikbaar om te tunnelen, daarom maten we daar een hogere tunnelstroom dan in het midden van een nanoband’, vertelt Klaassen.

Maar tegen de verwachting in ontdekte Klaassen tijdens de metingen een mysterieuze ondergrens: bij nanobanden die smaller waren dan twee nanometer verdwenen de randtoestanden. Bij deze nanobanden, die slechts enkele atomen breed zijn en daarom ook wel eendimensionaal worden genoemd, bleek een faseovergang plaatsgevonden te hebben. ‘Toen we toevallig een meting deden aan de uiteindes van zo’n eendimensionale band, ontdekten we dat hier wel een toestand te meten was met een hogere tunnelstroom.’

Kwantumtoepassingen

De zogeheten eindtoestanden van de eendimensionale nanobanden zouden met elkaar gecorreleerd – of in kwantumtermen: verstrengeld – zijn. Dat betekent dat als er iets gebeurt met de toestand aan het ene eind van de nanoband, dit automatisch effect heeft op de toestand aan het andere uiteinde.

Zowel de eigenschappen van de tweedimensionale als eendimensionale nanobanden zijn handig voor kwantumcomputers. ‘Bij de tweedimensionale nanobanden zijn de randtoestanden ‘aan’ en ‘uit’ te zetten door het aanleggen van een elektrische veld. Dat maakt ze handig voor energie-efficiënte, snellere en kleinere transistoren’, zegt Klaassen.

De eendimensionale nanobanden zijn met name interessant om te gebruiken als foutloze kwantum bits (qubits). In principe zouden de nanobanden bestand moeten zijn tegen lokale defecten, zoals een missend atoom of een verstoring in het kristalrooster. ‘Als je de toestand aan het ene eind verandert, zou de toestand aan de andere kant van de nanoband ook moeten veranderen mits de toestanden verstrengeld zijn’, zegt Klaassen. ‘Al is dit niet te meten met onze huidige STM. Om dit te bevestigen zullen we metingen moeten doen met meerdere naalden.’

Klaassen, D.J. et al. (2025) Nat. Commun. 16, DOI: 10.1038/s41467-025-57147-4