Fonon: de trillingsdeeltjes die warmte, geluid en kwantumcomputers sturen
Een fonon is geen tastbaar object, maar een handige manier om trillingen in een vast materiaal te beschrijven. Stel je een uitverkocht stadion voor waar het publiek een 'wave' maakt: niemand verlaat zijn stoel, maar de golfbeweging zelf reist wel rond het stadion. Zo werkt een fonon ook: de atomen in een kristal, bijvoorbeeld in een stukje silicium of diamant, blijven op hun plek zitten, maar hun onderlinge trilling plant zich voort als een golfje door het materiaal. Natuurkundigen behandelen zo'n golfje van trillingsenergie als een apart 'deeltje', het fonon, omdat dat rekenkundig veel makkelijker werkt dan het bijhouden van miljarden losse atomen.
Fononen zijn overal om ons heen, ook al merken we er niets van. Warmte die door een pan stroomt, geluid dat door een muur dringt, en de manier waarop een computerchip warm wordt: het zijn allemaal fononen aan het werk. Wat dit onderwerp relevant maakt voor toekomsttechnologie, is dat onderzoekers steeds beter leren om fononen te sturen, te blokkeren of zelfs één voor één te tellen. Dat opent deuren naar chips die zichzelf beter koelen, materialen die warmte omzetten in stroom, en zelfs naar bouwstenen voor kwantumcomputers.
Wat is het precies?
In een vaste stof zitten atomen op vaste plekken, verbonden door een soort onzichtbare 'veertjes': de elektrische krachten tussen naburige atomen. Trilt één atoom, dan trekt het via die veertjes ook de buuratomen mee, die op hun beurt weer hun buren beïnvloeden. Zo ontstaat een golf die door het hele kristal reist.
De kwantummechanica zegt dat zulke trillingen niet in elke willekeurige hoeveelheid energie kunnen voorkomen, maar alleen in vaste 'pakketjes'. Eén zo'n pakketje trillingsenergie noemen we een fonon. Dit is exact hetzelfde principe als bij licht: een lichtgolf bestaat uit pakketjes die we fotonen noemen. Het woord fonon is dan ook bewust gevormd naar analogie met foton, met het Griekse phone (geluid) als basis. De term werd in de jaren dertig van de vorige eeuw geïntroduceerd door de Russische natuurkundige Igor Tamm.
Er bestaan twee hoofdtypen. Bij akoestische fononen bewegen naburige atomen min of meer in dezelfde richting; dit zijn de trillingen die we als geluid en als warmtetransport kennen. Bij optische fononen bewegen naburige atomen juist tegengesteld aan elkaar. Dit type komt vooral voor in kristallen met twee soorten atomen (zoals keukenzout) en kan resoneren met infrarood licht, vandaar de naam.
Belangrijk om te onthouden: in metalen wordt warmte vooral door vrij bewegende elektronen getransporteerd, maar in isolatoren en de meeste halfgeleiders, waaronder silicium, zijn fononen de belangrijkste warmtedragers. Wie warmtestroom in een chip wil begrijpen of beïnvloeden, moet dus fononen begrijpen.
Wat wil men ermee bereiken?
Onderzoekers proberen fononen om drie hoofdredenen te beheersen. Ten eerste warmtebeheer: moderne chips worden steeds kleiner en krachtiger, waardoor ze ook meer warmte per vierkante millimeter produceren. Als je begrijpt en kunt sturen hoe fononen door een materiaal bewegen, kun je chips ontwerpen die warmte efficiënter afvoeren of juist isoleren waar dat nodig is.
Ten tweede energieopwekking via thermo-elektrische materialen. Sommige materialen zetten een temperatuurverschil rechtstreeks om in elektrische stroom. Voor een goed thermo-elektrisch materiaal wil je dat elektronen (die de stroom dragen) makkelijk doorheen bewegen, maar dat fononen (die warmte weglekken) juist worden tegengehouden. Dat is een lastige combinatie, omdat beide door hetzelfde kristalrooster reizen. Door materialen op nanoschaal te structureren, kunnen wetenschappers fononen selectief afremmen zonder de elektronen te hinderen.
Ten derde, en meest experimenteel, het gebruik van fononen in kwantumtechnologie. Net zoals fotonen informatie kunnen dragen in kwantumcomputers en kwantumnetwerken, kunnen ook fononen dat in principe doen. Omdat fononen zich in vaste materialen makkelijker laten opsluiten en vertragen dan fotonen, denken sommige onderzoeksgroepen dat ze bruikbaar zijn als geheugen of als tussenstation om verschillende soorten kwantumchips met elkaar te verbinden.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de bekendste doorbraken kwam van een team rond de Amerikaanse natuurkundige Andrew Cleland, destijds verbonden aan de University of California, Santa Barbara. In 2010 publiceerde de groep in het tijdschrift Nature het eerste experiment waarin een mechanisch object, een minuscuul trillend plaatje, werd afgekoeld tot zijn kwantummechanische grondtoestand en vervolgens met een supergeleidende schakeling werd aangestuurd op het niveau van individuele fononen. Dit gold als een mijlpaal omdat het liet zien dat mechanische trilling, net als licht, kwantumgedrag vertoont.
Op het gebied van energie is er al langer onderzoek naar siliciumnanodraden: extreem dunne draadjes silicium, honderden keren dunner dan een mensenhaar. Rond 2008 lieten onderzoeksgroepen in de Verenigde Staten zien dat zulke nanodraden de warmtegeleiding drastisch verminderen doordat fononen aan de ruwe randjes van de draad worden verstrooid, terwijl de elektrische geleiding grotendeels intact blijft. Dat maakte silicium, normaal een matige thermo-elektrische kandidaat, ineens interessanter voor het omzetten van restwarmte in stroom.
Onderzoekers bouwen ook fononische kristallen: materialen met een regelmatig, herhalend patroon van gaatjes of pilaartjes, ontworpen om bepaalde trillingsfrequenties tegen te houden en andere juist door te laten. Dit is de trillingsequivalent van fotonische kristallen, die met licht hetzelfde doen. Groepen aan onder meer het Massachusetts Institute of Technology (MIT) gebruiken dit om op chipschaal te bepalen waar warmte wel en niet naartoe mag stromen.
Een vierde voorbeeld is optomechanica: het koppelen van licht aan mechanische trilling in piepkleine resonatoren, vaak niet groter dan een haarbreedte. Onderzoeksgroepen zoals die van het Kavli Institute of Nanoscience aan de TU Delft werken aan opstellingen waarin een lichtdeeltje zijn kwantumtoestand overdraagt aan een fonon en omgekeerd, met als uiteindelijk doel schakels te bouwen tussen kwantumcomputers die licht door glasvezel sturen.
Hoe ver is de techniek?
Fononen zelf zijn geen nieuwe uitvinding; het concept is bijna een eeuw oud en wordt al decennialang gebruikt om gewone materiaaleigenschappen zoals warmtegeleiding te verklaren. Wat wél nieuw en nog volop in ontwikkeling is, is het actief manipuleren van individuele fononen of van fononstromen op nanoschaal.
Op het gebied van thermo-elektrische materialen en warmtebeheer in chips is de techniek relatief volwassen: nanogestructureerde materialen en fononische kristallen worden al gebruikt in laboratoria en beginnen door te sijpelen naar gespecialiseerde toepassingen, al is grootschalige, goedkope productie nog een uitdaging.
Op het gebied van kwantuminformatie met fononen staat het onderzoek veel prilder. Experimenten zoals dat van Cleland en latere vervolgstudies zijn proof-of-concept demonstraties in gekoelde laboratoriumopstellingen, vaak bij temperaturen net boven het absolute nulpunt. Er is nog geen praktische, buiten het lab bruikbare toepassing. Belangrijke obstakels zijn de korte levensduur van kwantumtoestanden in fononen (ze 'vervallen' snel door onvermijdelijke verstoringen), de moeilijkheid om fononen betrouwbaar te laten communiceren met fotonen, en de extreem lage temperaturen die nodig zijn om storende thermische trillingen te onderdrukken.
Wie werken eraan?
Fononenonderzoek is verspreid over natuurkunde-, materiaalkunde- en elektrotechniekafdelingen wereldwijd. In de Verenigde Staten zijn onder meer de University of Chicago (de groep van Andrew Cleland), Caltech en MIT actief, met een focus op respectievelijk kwantumakoestiek, optomechanica en nanoschaal-warmtetransport. In Europa doet de TU Delft, via het Kavli Institute of Nanoscience, onderzoek naar kwantum-optomechanica, en werken ook groepen aan de EPFL en ETH Zürich in Zwitserland aan verwante onderwerpen zoals lichtgekoppelde mechanische resonatoren.
Daarnaast investeren techbedrijven met een kwantumcomputing-tak, zoals Google en IBM, indirect in dit veld, omdat inzicht in mechanische trillingen helpt om storingen (ruis) in supergeleidende kwantumchips te begrijpen en te onderdrukken. Op het gebied van thermo-elektrische en warmtebeheertoepassingen zijn ook materiaalkundige instituten en de halfgeleiderindustrie betrokken, al blijft veel van dit werk fundamenteel en universitair van aard.