Nieuws:

DEN HAAG - NanoNextNL kan van start gaan. Het ministerie van EL&I heeft 125 miljoen euro aan het consortium ter beschikking gesteld voor micro- en nanotechnologisch onderzoek.

Het samenwerkings-verband van bedrijfsleven en kennisinstellingen kan nu starten met zijn onderzoeks-programma, meldt technologiestichting STW.

Het programma richt zich op onderzoek en toepassing van nieuwe ontwikkelingen op het gebied van de micro- en nanotechnologie.

Het kabinet had de 125 miljoen al toegezegd en gereserveerd op basis van het goedgekeurde programmavoorstel 'Towards a Sustainable and Open Innovation Ecosystem'.

Het samenwerkings-verband draagt zelf eveneens 125 miljoen euro bij via de ruim 100 bedrijven, universiteiten, kennisinstituten en universitaire medische centra binnen NanoNextNL.

Door het initiëren en begeleiden van onderzoeksprojecten wil NanoNextNL een 'duurzaam en concurrerend open innovatie-ecosysteem creëren, dat nieuwe bedrijfskansen, innovatieve producten en kennisinfrastructuur biedt'.

 

Nano

Wat is Nano?

Er zijn een aantal definities van Nano.
Nano, met symbool n, is het SI voorvoegsel dat gebruikt wordt om een factor 10-9, oftewel 0,000 000 001 aan te duiden.
Een nanometer is dan 10-9m.
Maar in de elektronica wordt ook heel vaak de nanofarad(nF) bedoeld, de eenheid van elektrische capaciteit.
Nanotechnologie (NT), is de techniek die het mogelijk moet maken te werken met deeltjes in de grootorde van nanometers (een miljardste van een meter). Dit is een schaal van grootte die net boven die van atomen (0,060 nm tot 0,275 nm) en eenvoudige moleculen ligt. Een criterium is dat een structuur op zijn minst één dimensie minder dan 100 nanometer groot is.
Wij zullen ons op deze website richten op de nanotechnologie.

Zo is er Bio-Nanoscience(BN): Onderzoek op het raakvlak tussen de nanowetenschap, synthetische biologie en celbiologie. Daarover meer op de Bio pagina van deze website.
En Quantum-Nanoscience(QN): Onderzoek naar bouwstenen voor het maken van een quantum-computer.

Wat is het idee achter een quantumcomputer?
Onze huidige computers werken met bits, die de waarde 0 óf 1 kunnen aannemen.
Een quantumcomputer bevat zogeheten qubits (quantum bits) die tegelijkertijd zowel de waarde 0 als 1 kunnen hebben. Even ter verduidelijking, er bestaat nog geen quantumcomputer. Het toverwoord komt uit de quantum-mechanica en heet "superpositie" ,( boven elkaar plaatsen).

Superpositie = Een ander woord voor onzekerheid.

Op het niveau van quantummechanica heeft een deeltje, zoals een elektron, geen absolute plaats. Zijn positie is gebaseerd op kansen, bijvoorbeeld vijftig procent kans op plek A en vijftig procent kans op plek B. Je kunt op plek A gaan kijken en dan weet je direct of het er wel of niet is (en zo niet, dan zit het elektron dus op plek B). Maar als je niet kijkt, kun je slechts gokken. De quantummechanica zegt dan: het elektron bevindt zich tijdelijk (totdat je daadwerkelijk kijkt) op plek A én B. Het heeft geen precieze plaats, maar een soort wolk van mogelijke plaatsen. In de quantummechanica zegt men dan dat het deeltje in superpositie is. Superpositie hoeft niet per se te slaan op de positie van een deeltje, maar kan ook gelden voor een andere eigenschap, zoals zijn snelheid of energie.

Men wil dus de superpositie gebruiken als rekenmogelijkheid.
Om superpositie wat meer voor te stellen wordt vaak een veelbesproken proef genoemd. De dubbele spleet proef.
Als we elektronen op dezelfde manier één voor één afschieten uit een elektronenkanon en we richten midden op een plaat met een dubbele spleet en op enige afstand daar achter een scherm plaatsen die de elektronen registreren, dan zien we na enige tijd een patroon ontstaan.
Men zou normaal denken dat er 2 banden zouden ontstaan op het scherm.
Maar dat is niet zo, de elektronen gedragen zich niet als biljartballen. Ze volgen de soms absurde wetten van de quantummechanica. De bundels elektronen uit beide spleten veroorzaken een patroon van lichte en donkere strepen, maar niet op dezelfde plaats waar men ze zou verwachten. Op sommige plekken lijken de elektronen elkaar uit te doven, en op andere plekken versterken ze elkaar juist.
Op de tekening kijkt men van boven op de plaat en het scherm, de spleten staan vertikaal.

dubbele spleetAls we tussen het scherm en de spleten zouden staan kunnen we nooit weten wanneer er een elektron door welke spleet komt.
Alleen op het moment dat we kijken naar spleet A of B weten we het, ons netvlies zou de elektron dan zien.
Elektronen hebben een massa en een lading maar ze gedragen zich ook zoals licht (een golf). Ook is het onmogelijk de positie van een elektron rond een atoom-kern te bepalen.
Wanneer een elektron wordt afgeschoten gedraagt het elektron zich als golf en deelje.
De conclusie is dat de elektronen zich gedragen volgens de wetten van de quantummechanica en niet volgens de gangbare natuurwetten.
Dit gedrag wil men gebruiken in de toekomstige quantumcomputer.
Als men het gedrag kan manipuleren (controleren) dan heeft men een qubit met toestand 1 of 0.
Het grote verschil is echter dat die toestanden 0 en 1 tegelijkertijd kunnen plaatsvinden.
Dat betekent ook dat meerdere berekeningen tegelijkertijd kunnen worden uitgevoerd.


Het dubbele spleetexperiment met elektronen heeft jarenlang als gedachtenexperiment bestaan. Natuurkundigen waren zo gewend aan de absurde uitkomst ervan, dat niemand er meer van op keek toen de Duitser Claus Jönsen het experiment in 1961 voor het eerst uitvoerde en het interferentiepatroon ook daadwerkelijk waarnam.

Nanodraadjes.

Onderzoekers van de Stichting FOM, het Kavli Institute of Nanoscience aan de TU Delft en van de TU Eindhoven, hebben veel meer grip gekregen op de bouwstenen voor een toekomstige, supersnelle kwantumcomputer.
banodraadje
Ze kunnen deze bouwstenen (qubits) nu namelijk manipuleren met elektrische velden in plaats van met magnetische velden, zoals tot nu toe gebruikelijk. Bovendien wisten ze deze qubits in te bouwen in nanodraadjes van halfgeleidermateriaal.
Deze draadjes hebben een diameter in de ordegrootte van nanometers en een lengte van micrometers. Deze nanodraadjes worden steeds meer gebruikt als handige bouwstenen in de nano-elektronica. Nanodraadjes zijn een uitstekend platform voor onder meer
Quantum-informatieverwerking.

nanodraadje2Naast deze vier metalen draadjes die de elektronen op hun plaats houden, loopt er nog een vijfde nanodraad langs de elektronen. Door hiermee een puls microgolfstraling af te vuren, kunnen de wetenschappers de spin van de elektronen omdraaien. Dat komt door het spin-orbit-effect. Het elektrische stroompje verandert het minuscule magnetische veld van het indium-atoom waar de qubit omheen draait. Daardoor verandert de baan waarin het elektron rond de kern draait, en dàt klapt de spin(draaiing) van het elektron om. Dit effect is meestal niet zo groot, maar bij zware kernen zoals indium is het sterk genoeg aanwezig om toch de spin om te kunnen klappen, zonder hulp van een extern magnetisch veld.

Als de spin van de de twee elektron-qubits dezelfde kant op draaien, laten ze stroom door. Als ze in tegengestelde richting draaien (anti-parallel), blokkeren ze de stroom. Eigenlijk werken de qubits samen als lichtknopje. Met een klein pulsje van nanodraadje vijf is gemakkelijk te schakelen tussen de verschillende qubit-toestanden, ook de superpositie 0 én 1.

De onderzoekers begrijpen nu de quantummechanische regels van twee qubits, maar dat wil niet zeggen dat de quantumcomputers volgend jaar al klaar zijn. Misschien dat het simpelweg langer maken van de indium-arseendraad om er meer elektronen op te vangen, hele andere effecten geeft dan deze simpele variant. Daar gaan de onderzoekers hard aan werken de komende tijd.
Toch leent deze duo-qubit zich vrij aardig voor massaproductie. Al was het maar als onderdeel van een groter systeem, het uiteinde van de indium-arseendraad kan namelijk licht geven, en zo zijn 'qubitstatus' met een foton door te geven.