Onderzoekers van de Stichting FOM en de Katholieke Universiteit Nijmegen hebben met een laser structuren van chroomatomen geschreven. Ze maakten binnen een kwartier op een oppervlak van 1,5 bij 0,4 millimeter een patroon van bijna achtduizend evenwijdige lijnen. De opstelling met ultrahoog vacuüm waarin dit gebeurt, is de eerste ter wereld die specifiek voor dit doel is gebouwd.

De duizenden lijnen zijn 80 nanometer breed en 10 nanometer hoog (een nanometer is een miljoenste millimeter). Het bijzondere is dat het hele proces in ultrahoog vacuüm is uitgevoerd. De Nijmeegse opstelling is de eerste in de wereld die specifiek hierop is gericht. Hierdoor wordt het mogelijk heel fijne structuren te groeien die bovendien heel schoon zijn. Het is een van de manieren om de beperkingen te omzeilen die de huidige siliciumtechnologie stelt aan de kleinst mogelijke elektronische structuren op chips. Het is een voorbeeld van nanofysica, een van de vakgebieden van de toekomst.

“In een camera gebruik je materie – de lens – om licht te sturen. In ons apparaat gebruiken we licht om materie – de chroomatomen – te sturen”, licht prof dr Herman van Kempen toe. Daarbij vormen de atomen op een oppervlak de gewenste structuur. “Als je dit soort technieken voor het maken van chips wilt gebruiken, dan zullen die technieken onder industriële omstandigheden moeten werken. Daarom is het zo belangrijk dat onze opstelling voor ultrahoog vacuüm ontworpen is. Alleen dan kun je extreem schoon werken. Tot ons groot genoegen werkte de opstelling meteen de eerste keer al! Nu willen we er de groei en de eigenschappen van die metallische nanostructuren mee onderzoeken.”

Atomen sturen met lichtgolven

Om met atomen te ‘schrijven’ moeten de onderzoekers die met zeer grote precisie kunnen manipuleren. Nadat de atomen uit de bron komen, een soort oventje, moet de snelheid in de dwarsrichting sterk worden verlaagd om een mooie evenwijdige bundel te krijgen. Daarvoor gebruiken de onderzoekers ‘laserkoeling’. De onderzoekers in Nijmegen kregen hulp daarbij van collega’s uit de vakgroep molecuul- en laserfysica . Ze slaagden erin de uitwaaiering van de bundel te beperken tot minder dan een zestigste van een graad.

De volgende stap is het focusseren van deze nette, evenwijdige atoombundel. Dit gebeurt met lenzen gemaakt van licht. Daartoe maken de onderzoekers een staand golfpatroon van laserlicht. Dit licht heeft een golflengte vlak bij de absorptielijn van de chroomatomen, te weten 425,55292 nanometer (blauw licht). Alleen als de golflengte vlak bij die absorptielijn zit, oefent het licht krachten uit op de atomen en kunnen ze die in ‘bedwang’ houden. De onderzoekers wisten een stabiliteit in de golflengte te bereiken van beter dan 0,0000005 nanometer.

Het echte ‘schrijven’ met atomen berust erop dat de onderzoekers de atomen in de pieken of in de dalen van de staande golf weten te dringen. Dat doen ze door de golflengte van het laserlicht met 0,0002 nanometer naar boven of naar beneden te laten veranderen. Zo’n kleine verschuiving duwt het atoom naar een piek of een dal in het staande golfpatroon. Dit moet heel subtiel gebeuren; een mooie evenwijdig inkomende bundel is essentieel. Ook moet het staande-golfpatroon op precies de goede plaats zitten ten opzichte van de ondergrond waarop het patroon van atomen wordt aangebracht.

Het was een lastige klus. In het begin verstoorden trillingen in de opstelling de bundel voortdurend. Verwarming van het oppervlak waarop het patroon moest worden geschreven, kon ook roet in het eten gooien omdat dit oppervlak dan door uitzetting onder het te schrijven patroon zou doorschuiven. Spiegels, prisma en substraathouder zijn dan ook als één optisch geheel gebouwd. Omdat dit allemaal in een ultrahoogvacuümsysteem moet, moest de opstelling zeer compact zijn. Nu staat de opstelling in een ruimte met een doorsnede van tien centimeter. Daarin doen de natuurkundigen alles: koelen en focusseren van de atomen en uitlijnen van het substraat.

Klaar zijn de onderzoekers nog niet. Ze kunnen nu bijvoorbeeld pas achteraf zien hoe het geschreven patroon eruit ziet. Dat willen ze graag tijdens het schrijven al zien, zodat ze ook kunnen ingrijpen of het proces bijsturen.

Het belangrijkste is echter dat er nu voor het eerst zo’n ultrahoog vacuümopstelling staat. Daarmee kunnen de Nijmeegse natuurkundigen gaan onderzoeken hoe de metallische nanostructuren groeien, welke eigenschappen ze hebben en hoe ze die eigenschappen eventueel kunnen verbeteren. Atoomlithografie – het schrijven met atomen – is de enige contactvrije methode (dus geen maskers, geen chemicaliën) waarmee je nanostructuren op de nu gedemonstreerde parallelle schaal in een schone omgeving te maken.