Niobium-titaniumnitride: het supergeleidende materiaal achter ultragevoelige detectoren
Niobium-titaniumnitride, meestal afgekort tot NbTiN, is een keramisch materiaal dat is opgebouwd uit atomen niobium, titanium en stikstof. Het bijzondere eraan is dat het bij extreem lage temperaturen supergeleidend wordt: elektrische stroom kan er dan doorheen lopen zonder enige weerstand, en dus zonder energieverlies. Vergelijk het met een schaatsbaan die normaal wat wrijving heeft, maar die bij een bepaalde temperatuur ineens perfect glad wordt — schaatsers (in dit geval elektronen) glijden er dan eindeloos door, zonder ooit af te remmen.
NbTiN wordt niet gebruikt om elektriciteit door de stad te transporteren, maar juist om extreem zwakke signalen op te vangen: een enkel lichtdeeltje, een zwak stukje straling uit de ruimte, of een subtiele quantumtoestand in een chip. Doordat het materiaal geen elektrische ruis produceert zoals gewone metalen dat wel doen, kunnen instrumenten die ermee gebouwd zijn signalen meten die met andere technieken simpelweg te zwak of te ruizig zouden zijn. Het is daarmee een van de stille bouwstenen achter een deel van de gevoeligste meetapparatuur die momenteel bestaat, van telescopen tot quantumcomputers.
Wat is het precies?
Supergeleiding is een natuurkundig verschijnsel waarbij een materiaal onder een bepaalde temperatuur, de zogeheten kritische temperatuur (Tc), plotseling alle elektrische weerstand verliest. Voor NbTiN ligt die grens rond de 14 tot 16 kelvin, wat neerkomt op ongeveer -258 graden Celsius. Dat klinkt bizar koud, maar in de wereld van supergeleiders is het juist relatief "warm": puur niobium wordt pas supergeleidend onder de 9,2 kelvin, dus NbTiN houdt zijn bijzondere eigenschap bij een hogere temperatuur vast.
Het materiaal wordt gemaakt door niobium en titanium samen te verdampen of te "sputteren" (atomen van een doelplaat losschieten met behulp van een plasma) in een gasmengsel met stikstof. Op die manier ontstaat een dunne film, vaak maar enkele tientallen tot honderden nanometers dik, die neerslaat op een drager zoals silicium of saffier. Door de verhouding tussen niobium en titanium en de hoeveelheid stikstof nauwkeurig te regelen, kunnen onderzoekers de eigenschappen van de film — zoals de kritische temperatuur en de elektrische eigenschappen — finetunen.
Een belangrijke eigenschap van NbTiN is de zogeheten kinetische inductantie. In een gewone spoel van draad ontstaat inductantie doordat een magnetisch veld energie opslaat rond de draad. Bij supergeleiders als NbTiN speelt er nog een extra effect: de elektronen zelf, die in paren door het materiaal bewegen (Cooper-paren genoemd), hebben een soort traagheid die ook energie opslaat. Dat effect is bij NbTiN ongewoon sterk. Dat maakt het mogelijk om met heel dunne, compacte draadjes toch elektrische circuits te bouwen die zich gedragen als grote spoelen — handig voor het minimaliseren van chips. Daarnaast blijft NbTiN, in tegenstelling tot bijvoorbeeld aluminium, ook nog supergeleidend bij relatief sterke magnetische velden. Dat is belangrijk voor toepassingen waarbij een magneetveld nodig is, zoals bij bepaalde typen quantumbits (qubits).
Wat wil men ermee bereiken?
De drijfveer achter onderzoek naar NbTiN is steeds hetzelfde: signalen meten die zo zwak zijn dat gewone elektronica ze niet kan onderscheiden van eigen ruis. Een metalen draad heeft altijd een beetje elektrische weerstand, en die weerstand gaat gepaard met warmte en ruis — net als een radio die tussen twee zenders in altijst een beetje ruist. Supergeleiders hebben die weerstand niet, waardoor detectoren die ervan gemaakt zijn extreem gevoelig kunnen worden.
In de radioastronomie wil men het allerzwakste licht uit het heelal opvangen, bijvoorbeeld straling van koud gas tussen sterrenstelsels. In de quantumtechnologie wil men de toestand van een enkel elektron of foton uitlezen zonder die toestand te verstoren. En in de quantumcommunicatie wil men een enkel foton, verstuurd over een glasvezelkabel, met zo min mogelijk fouten detecteren. In al deze gevallen is de belofte hetzelfde: hogere gevoeligheid, minder ruis en dus scherpere metingen, of dat nu een scherpere sterrenkaart is, een betrouwbaardere quantumverbinding, of een preciezere qubit-uitlezing.
Waarom niet gewoon puur niobiumnitride (NbN) gebruiken, dat een nog iets hogere kritische temperatuur kan hebben? In de praktijk is NbTiN vaak makkelijker te verwerken tot goede, homogene dunne films met stabiele eigenschappen, en het combineert een hoge kritische temperatuur met goede mechanische en elektrische eigenschappen. Die balans maakt het voor veel toepassingen de praktische voorkeurskeuze.
Voorbeelden uit de praktijk
NbTiN is geen laboratoriumcuriosum gebleven, maar wordt al jaren ingezet in echte instrumenten:
- ALMA-telescoop (Chili): de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, een samenwerking van onder meer Europese, Amerikaanse en Oost-Aziatische sterrenwachten, gebruikt in enkele van haar ontvangers supergeleidende SIS-mixers (Superconductor-Insulator-Superconductor) waarin NbTiN als bedrading dient. Nederlandse instituten als SRON en de sterrenkundige onderzoeksschool NOVA hebben aan de ontwikkeling van dit soort ontvangertechnologie bijgedragen, met name voor de hogere frequentiebanden waar puur niobium minder goed werkt.
- DESHIMA-spectrometer: een "spectrometer op een chip", ontwikkeld door SRON en TU Delft in samenwerking met Japanse partners, gebruikt supergeleidende NbTiN-microgolflijnen gecombineerd met kinetic inductance detectors (KID's) om in één keer een breed spectrum van kosmische straling te meten. Het instrument is getest op de ASTE-telescoop in Chili.
- Quantumcommunicatie-experimenten in Delft: in het bekende "loophole-free" Bell-experiment van de TU Delft-groep rond Ronald Hanson (gepubliceerd in 2015) werden verstrengelde fotonen gedetecteerd met supergeleidende nanodraad-single-photondetectoren (SNSPD's) op basis van NbTiN, over een afstand van ruim een kilometer tussen twee laboratoria in Delft.
- Single Quantum B.V.: dit bedrijf, voortgekomen uit onderzoek aan de TU Delft, maakt commercieel verkrijgbare NbTiN-gebaseerde SNSPD-systemen die wereldwijd worden gebruikt in laboratoria voor quantumoptica en quantumcommunicatie.
- Uitlezing van spin-qubits: onderzoeksgroepen binnen QuTech (TU Delft) hebben NbTiN gebruikt om supergeleidende resonatoren met een ongewoon hoge impedantie te maken, waarmee de toestand van individuele spin-qubits gekoppeld kan worden aan microgolffotonen — een stap die relevant is voor het uitlezen en verbinden van qubits in toekomstige quantumcomputers.
Hoe ver is de techniek?
Voor sommige toepassingen is NbTiN allang geen experimentele techniek meer. SIS-mixers met NbTiN-bedrading draaien al jaren routinematig in operationele telescopen zoals ALMA. Ook SNSPD's op basis van dit materiaal zijn commercieel verkrijgbaar en worden buiten universiteiten ingezet, bijvoorbeeld bij bedrijven en instituten die aan quantumnetwerken werken.
Voor andere toepassingen, zoals het gebruik van NbTiN-resonatoren om qubits te koppelen, bevindt het onderzoek zich nog vooral in de fase van laboratoriumexperimenten en publicaties in wetenschappelijke tijdschriften. Hier gaat het nog om het optimaliseren van materiaalkwaliteit, het beperken van signaalverlies en het reproduceerbaar maken van fabricageprocessen — vaak de grootste horde bij supergeleidende dunne films, omdat kleine verschillen in kristalstructuur of zuurstofverontreiniging al meetbare invloed hebben op de prestaties.
Een blijvende praktische beperking is en blijft de koeling. Hoewel NbTiN een relatief hoge kritische temperatuur heeft vergeleken met andere supergeleiders, is voor ruisarme metingen vaak koeling nodig tot ver onder die kritische temperatuur, soms tot in het milikelvin-gebied. Dat vereist gespecialiseerde koelapparatuur zoals dilution refrigerators, wat de toepassingen voorlopig beperkt tot laboratoria, sterrenwachten en gespecialiseerde bedrijven, en niet tot consumentenelektronica.
Wie werken eraan?
Nederland speelt internationaal een prominente rol in NbTiN-onderzoek. SRON (het Nederlands Instituut voor Ruimteonderzoek) en TU Delft, met het quantumonderzoeksinstituut QuTech, behoren tot de groepen die al decennialang met dit materiaal werken, zowel voor sterrenkunde als voor quantumtechnologie. De onderzoeksschool NOVA bundelt hierbij Nederlandse universitaire sterrenkunde-instituten.
Internationaal werken onder meer Amerikaanse instituten als NIST (National Institute of Standards and Technology) en het Jet Propulsion Laboratory van NASA aan verwante supergeleidende detectortechnologie, net als diverse Japanse onderzoeksinstellingen die met SRON en TU Delft samenwerken aan instrumenten als DESHIMA. Ook Europese sterrenwachten en universiteiten die bijdragen aan ALMA maken gebruik van deze technologie. Op het commerciële vlak is het Delftse bedrijf Single Quantum een van de weinige spelers wereldwijd die NbTiN-detectoren als kant-en-klaar product levert.