Atomen africhten

Het vergt een indrukwekkende machine om atomen in het gareel te dwingen. Microsoft investeerde miljoenen in het apparaat dat nanodraadjes fabriceert voor het Microsoft Quantum Lab Delft. Koning Willem-Alexander opende de faciliteit op 21 maart. Delft Integraal kreeg een rondleiding in het lab.

De MBE-machine (molecular beam epitaxy) is ondergebracht in een van de cleanrooms van het Van Leeuwenhoek Laboratorium. Het apparaat komt uit Finland, heeft miljoenen gekost en is essentieel voor de ontwikkeling van de quantumcomputer. Het heeft maanden geduurd voordat de installatie functioneerde. 

Nu alles werkt, mogen we onder begeleiding van senior onderzoeker dr. Philippe Caroff een kijkje nemen. Zonder notitieblok, want dat geeft stof af. Gehuld in stofvrije jas, laarzen en handschoenen betreden we de ruimte die grotendeels gevuld is met roestvrij staal en regelkasten. De massieve MBE-machine produceert nanodraadjes van ongeveer 300 atomen (100 nanometer) breed en enkele microns lang, gemaakt van halfgeleiders zoals indium-arsenide.

Bouwstenen 

Halfgeleider nanodraadjes in contact met een supergeleider zijn geschikte materialen voor majoranadeeltjes. Dat ontdekten prof.dr.ir. Leo Kouwenhoven en zijn team in 2011. Majorana's worden beschouwd als kansrijke kandidaten voor quantumbits of qubits - de elementaire bouwstenen voor van de toekomstige quantumcomputer.

‘We ontdekken de psychologie van atomen, we beginnen hun koppigheid te begrijpen’

Caroff en collega’s proberen atomen te laten kristalliseren in precies gedefinieerde vorm en samenstelling. Maar een atoom laten kristalliseren is net zoiets als een hond leren te liggen. Je kunt het niet afdwingen, je moet verleiden. “We ontdekken de psychologie van atomen”, vertelt Caroff. “We beginnen hun koppigheid te begrijpen.”

De MBE-machine produceert nanodraadjes en roosters door op zeer gecontroleerde wijze lange kristallen van halfgeleidermateriaal te laten groeien. Een elektronenstraal tekent het gewenste patroon in de beschermende laag op monokristallijn silicium. De elektronenstraal tast de bovenlaag aan waardoor na etsen het onderliggende silicium bloot komt te liggen. Dit materiaal met bekende kristaloriëntatie dient als maagdelijke basis voor halfgeleider nanodraadjes die in de vorm van het getekende patroon moeten groeien. 

Maar dat gebeurt niet zomaar. Zo is er een extreem hoog vacuüm vereist. Binnen de machine is er net zo weinig lucht als tussen de planeten. Een rondvliegend atoom stuit pas na gemiddeld vijftig kilometer op een ander atoom. Vandaar dat rubber of vet, dat normaal voor afdichtingen gebruikt wordt, hier taboe zijn. Het zou teveel verdampen.

Kanonnen 

Een andere uitdaging is de instandhouding van de extreme temperatuurverschillen in de machine. De kanonnen die de atoomstralen opwekken, worden flink heet gestookt. Maar nog geen meter verderop heersen cryogene omstandigheden om de atomen te laten nestelen op het silicium. Duizend liter vloeibare stikstof per dag zijn nodig om de temperaturen en het vacuüm binnen de MBE op orde te houden.

“We brengen materialen samen die elkaar in de natuur niet opzoeken”, zegt Caroff. “Daarom worden halfgeleiders en supergeleiders in verschillende kamers opgedampt. Een robot verzorgt het transport tussen de verschillende productiefasen.”

Illustratie: Stephan Timmers