Kwantumkristallen kunnen een revolutie teweegbrengen in de computerwereld en de chemische industrie.

Geavanceerde materialen

Redactieteam van de website voor technologische innovatie - 04/11/2025

De meeste elektronen zijn aan atomen gebonden, maar veel ervan zweven vrij in het materiaal en kunnen worden opgevangen door geschikte 'haken'. [Afbeelding: www.inovacaotecnologica.com.br]

Het beheersen van losse elektronen

Wetenschappers hebben een nieuwe klasse materialen ontworpen, die zij 'kwantumkristallen' noemen. Hiermee is een ongekende controle over het gedrag van elektronen mogelijk.

De doorbraak ligt in wat zij 'oppervlakte-geïmmobiliseerde elektreten' noemen, structuren die als gidsen fungeren voor het sturen van verdwaalde elektronen, wat de weg vrijmaakt voor quantumcomputers en radicaal efficiëntere industriële processen .

Alle moderne technologie, van de simpelste chemische reactie tot een elektronische supercomputer of een quantumcomputer, is afhankelijk van hoe elektronen bewegen en interacteren. In de meeste materialen zijn elektronen echter sterk gebonden aan atomen, waardoor hun mogelijkheden tot actie beperkt zijn.

Er zijn al speciale materialen bedacht, zogenaamde "electrets", waarbij elektronen vrij rondzweven, wat de weg vrijmaakt om deze beperking te overwinnen. Alle tot nu toe ontworpen materialen bleken echter instabiel en moeilijk op grote schaal te produceren, waardoor praktische toepassingen onmogelijk waren.

Het is een nieuw type materiaal waarin elektronen vrij kunnen bewegen op een vast oppervlak. Door deze elektronen in verschillende patronen te rangschikken, zou het materiaal gebruikt kunnen worden om snellere computers te bouwen of efficiëntere chemische reacties te katalyseren. [Afbeelding: Andrei Evdokimov et al. - 10.1021/acsmaterialslett.5c00756]

Op het oppervlak gemonteerde elektreten

Andrei Evdokimov en collega's aan de Auburn University in de VS hebben een manier gevonden om praktische en stabiele elektreten te synthetiseren.

De oplossing ligt in het verankeren van speciale moleculen, zogenaamde "gesolvateerde elektronenprecursoren", aan het oppervlak van ultrastabiele materialen, zoals diamant en siliciumcarbide – siliciumcarbide is net als zijn beroemde broertje een halfgeleider, maar is veel resistenter. De immobilisatie van deze oppervlaktemoleculen creëert een robuust en controleerbaar platform.

De sleutel tot alles ligt in de instelbare koppeling van de moleculen. Afhankelijk van hoe de moleculen op het oppervlak van het basismateriaal zijn gerangschikt, kunnen de vrije elektronen op twee manieren worden geconfigureerd: ze kunnen geïsoleerde eilanden vormen, die zich gedragen als kwantumbits (qubits) voor berekeningen, of ze kunnen een continue metalen "zee" creëren, ideaal voor het katalyseren van complexe chemische reacties.

"Door te leren deze vrije elektronen te controleren, kunnen we materialen ontwerpen die dingen doen die de natuur nooit bedoeld heeft", aldus professor Evangelos Miliordos, de coördinator van het team.

Bij lage concentraties kunnen elektronen geïsoleerde 0D-systemen of 1D-kanalen vormen. Bij hogere concentraties vormen ze zeeën van 2D-elektronen op het kristal dat als substraat wordt gebruikt. [Afbeelding: Andrei Evdokimov et al. - 10.1021/acsmaterialslett.5c00756]

Mogelijke toepassingen

Vanwege hun fundamentele rol in energieoverdracht, binding en geleiding zijn elektronen de levensader van chemische synthese en moderne technologie. In chemische processen stimuleren elektronen redoxreacties, maken ze bindingen mogelijk en zijn ze essentieel voor katalyse. In technologische toepassingen bepaalt het manipuleren van de stroom en interacties tussen elektronen de werking van elektronische componenten, AI-algoritmen, zonnecellen en zelfs quantumcomputing.

De ontdekking van deze elektronenmanipulerende kristallen opent dus vele deuren. Maar, directer, het team noemt mogelijkheden voor toepassingen op twee belangrijke gebieden.

De eerste is quantum computing: elektroneneilanden kunnen dienen als zeer stabiele en robuuste qubits, en gegevensverlies door kwetsbaarheid of interferentie is een van de grootste uitdagingen voor huidige quantumcomputers.

Het tweede [aspect] schuilt in geavanceerde katalysatoren, die anders zijn dan alles wat er vandaag de dag bestaat. De "zee van elektronen" kan chemische reacties op een uiterst efficiënte manier stimuleren en zo de productie van brandstoffen, medicijnen en industriële producten revolutioneren, waardoor ze goedkoper en duurzamer worden.

"Dit is fundamentele wetenschap, maar met zeer reële implicaties", aldus Konstantin Klyukin, een lid van het team. "We hebben het over technologieën die de manier waarop we computers gebruiken en produceren, zouden kunnen veranderen."

Ander nieuws over:

Meer onderwerpen