Licht uit silicium uitgeroepen tot ‘breakthrough of the year’

In april 2020 presenteerde TU/e een gamechanger in de chip-wereld: silicium dat licht kan uitzenden. Al tientallen jaren geldt het als de ‘Heilige Graal’ in de micro-elektronica-industrie, want computerchips worden hiermee sneller dan ooit. Het natuurkunde-tijdschrift Physics World erkent deze revolutionaire nieuwe ontdekking, en roept het werk van de groep van TU/e-onderzoeker Erik Bakkers nu uit tot doorbraak van het jaar. De Eindhovense onderzoekers komen daarmee in het rijtje van de foto van het zwarte gat (2019), de detectie van zwaartekrachtgolven (2017), en de vondst van het Higgs-deeltje (2012).

Onderzoeksleider Erik Bakkers is erg trots op de prijs, die hij wint samen met Elham Fadaly en Alain Dijkstra van de TU/e, Jens Renè Suckert van de Friedrich-Schiller-Universität Jena in Duitsland en een internationaal team van onderzoekers: “We hebben hier heel lang aan gewerkt en het is erg mooi dat het dan uiteindelijk lukt; een grote verdienste van het hele team.”

Voorzitter van het TU/e-College van Bestuur Robert-Jan Smits: “We zijn als bestuur enorm trots op het baanbrekende werk van de groep van Erik Bakkers. De erkenning door Physics World is wat ons betreft dan ook helemaal terecht. Erik Bakkers is de absolute wereldtop op gebied van nanodraden, en zijn werk is fundamenteel en toepassingsgericht tegelijk. Het gaat ongetwijfeld nog meer doorbraken opleveren waar de hele wereld voordeel van gaat hebben.”

Deuren geopend

Physics World is een uitgave van het gerenommeerde Engelse Institute of Physics. Elk jaar roepen zij een nieuwe natuurkundige ontdekking uit tot ‘Doorbraak van het jaar’. Jurylid en redacteur voor Physics World Hamish Johnston licht toe waarom juist dit onderzoek is gekroond: “Siliciumapparaten sturen onze informatiemaatschappij aan. Maar de indirecte bandkloof van silicium [een inherente eigenschap van de atoomstructuur, waardoor het geen licht kan uitzenden, red.] heeft de ontwikkeling tegengehouden als het gaat om telecommunicatie en andere geavanceerde optische toepassingen. Door een op silicium gebaseerd materiaal te maken dat licht uitzendt op telecommunicatiegolflengten, heeft het Bakkers-team de deur geopend naar een geheel nieuwe wereld van toepassingen voor siliciumapparaten.”

Dat is belangrijk omdat onze huidige technologie van dataverwerking is gebaseerd op elektronische chips. En deze techniek bereikt langzaam maar zeker zijn plafond. De beperkende factor is warmte, die vrijkomt als gevolg van de weerstand die de elektronen ervaren. Deze weerstand ontstaat als de elektronen door de koperen leidingen reizen die de vele transistors op een chip met elkaar verbinden. Als we elk jaar meer gegevens willen blijven overdragen, hebben we een nieuwe techniek nodig, die geen warmte produceert.

Geïntegreerde laser

In tegenstelling tot elektronen ervaren lichtdeeltjes, fotonen, geen weerstand. Omdat ze geen massa of lading hebben, verstrooien ze minder in het materiaal waar ze doorheen reizen. Maar om licht in chips te kunnen gebruiken heb je een lichtbron nodig; een geïntegreerde laser. Het belangrijkste halfgeleidermateriaal waar computerchips nu van gemaakt zijn is silicium, maar dit materiaal is extreem inefficiënt in het uitzenden van licht. Daarom werd lang gedacht dat het geen rol zou spelen in de fotonica, de chiptechnologie gebaseerd op licht in plaats van elektronen.

De onderzoekers, onder leiding van Erik Bakkers, zijn er nu toch in geslaagd om silicium op een efficiënte manier licht uit te laten zenden. Ze publiceerden in april van dit jaar een paper in het wetenschappelijke vakblad Nature, waarin ze aantoonden dat silicium een zogenoemde directe bandkloof kan vormen als je het materiaal met een zeshoekige kristalstructuur groeit. Bakkers: “De crux zit hem in de aard van de zogenaamde bandkloof van een halfgeleider. Als een elektron van de geleidingsband naar de valentieband ‘valt’, zendt een halfgeleider een foton uit: licht.” Maar als de geleidingsband en de valentieband niet recht tegenover elkaar staan – ook wel een indirecte bandkloof genoemd – zenden ze geen fotonen uit. Dat is bij silicium het geval. “Door de siliciumatomen op een zeshoekig sjabloon te groeien, wisten we te realiseren dat deze ook in dezelfde zeshoekige kristalstructuur groeiden en daarmee licht konden uitzenden,” voegt Bakkers toe.

Een laser maken is nu een kwestie van tijd, denken de onderzoekers. “Dit maakt het mogelijk om optische functionaliteit te integreren in het dominante elektronicaplatform. Daarmee zullen we de vooruitzichten voor optische communicatie op de chip en betaalbare chemische sensoren op basis van spectroscopie openbreken,” concludeert Bakkers.

Erik Bakkers’ onderzoek naar nanodraden gaat overigens verder dan de silicium-laser. Er is zelfs een goede kans dat zijn laboratorium binnen een jaar of tien ’s werelds eerste Majorana qubits zal weten te maken, het essentiële ingrediënt voor een supersnelle quantumcomputer.