Tunnelspectroscopie: elektronen bespieden op atomaire schaal

Bijgewerkt: 31 augustus 2026 · 6 min leestijd

Stel je voor dat je met je vinger tegen een muur duwt. Normaal gesproken gebeurt er niets: de muur is een barrière die je niet doorkomt, hoe hard je ook duwt. In de kwantumwereld werkt dat anders. Piepkleine deeltjes zoals elektronen kunnen soms, met een bepaalde kans, gewoon door zo'n barrière heen "lekken" alsof hij er niet is. Dit vreemde verschijnsel heet kwantumtunneling, en tunnelspectroscopie is de techniek waarmee wetenschappers dit lekstroompje gebruiken om materialen tot op het niveau van individuele atomen te onderzoeken.

De belangrijkste vorm van tunnelspectroscopie werkt met een scanning tunneling microscoop (STM): een supergevoelig instrument met een naald met een punt van slechts één atoom breed, die vlak boven een oppervlak zweeft zonder het aan te raken. Door de kleine stroom te meten die tussen naald en oppervlak "tunnelt", kunnen onderzoekers niet alleen zien waar atomen liggen, maar ook wat elektronen daar precies doen. Het is een beetje als het aftasten van de vloer van een donkere kamer met een stok die net niet de grond raakt: je voelt niet alleen oneffenheden, maar via subtiele trillingen ook iets over het materiaal zelf.

Wat is het precies?

In de klassieke natuurkunde heeft een deeltje een bepaalde energie nodig om over een barrière te komen, zoals een bal die een berg op moet rollen. Heeft de bal te weinig energie, dan rolt hij terug. In de kwantummechanica gedragen elektronen zich ook als golven, en golven hebben geen scherpe rand: een klein deel van de golf kan doordringen tot voorbij de barrière, ook als de bal in klassieke zin "niet genoeg energie" heeft. Is de barrière dun genoeg, dan is er een meetbare kans dat het elektron aan de andere kant "verschijnt". Dat heet tunnelen.

Bij een STM wordt een metalen naald tot op minder dan een nanometer (een miljardste meter) boven een geleidend oppervlak gebracht. Leg je een kleine spanning aan tussen naald en oppervlak, dan ontstaat een minuscule tunnelstroom, ook al raken ze elkaar niet. Deze stroom is extreem gevoelig voor de afstand: verander je die met de diameter van één atoom, dan verandert de stroom al met een factor duizend. Door de naald over het oppervlak te bewegen en de stroom constant te houden, ontstaat een hoogtekaart met atomaire precisie. Dat is het beeldvormende deel: scanning tunneling microscopy.

Tunnelspectroscopie, vaak afgekort als STS, gaat een stap verder. In plaats van alleen de stroom te meten, varieert men de aangelegde spanning op één vaste plek en kijkt men hoe de stroom daarop reageert. De afgeleide van die relatie, dI/dV (de verandering in stroom ten opzichte van de verandering in spanning), blijkt rechtstreeks gekoppeld te zijn aan de lokale toestandsdichtheid van elektronen op die plek: hoeveel elektronen daar bij een bepaalde energie "beschikbaar" zijn om te tunnelen. Zo wordt een simpele stroommeting een venster op de elektronische structuur van een materiaal, atoom voor atoom.

Dit soort metingen zijn niet eenvoudig. Ze vinden doorgaans plaats in ultrahoog vacuüm, om te voorkomen dat losse moleculen uit de lucht het oppervlak vervuilen, en vaak bij temperaturen van een paar graden boven het absolute nulpunt, om storende trillingen van atomen te onderdrukken. Zelfs gebouwtrillingen of voetstappen in de gang kunnen een meting verstoren, dus opstellingen staan vaak op speciale trillingsdempende tafels of in kelders.

Wat wil men ermee bereiken?

Het uiteindelijke doel is simpel te omschrijven, ook al is de uitvoering lastig: begrijpen hoe elektronen zich gedragen in materialen, tot op het niveau van individuele atomen en moleculen. Elektronengedrag bepaalt vrijwel alle eigenschappen van een materiaal, van geleiding tot magnetisme tot supergeleiding, dus wie dat gedrag direct kan "zien", krijgt fundamenteel inzicht dat andere technieken niet bieden.

Concreet gebruiken natuurkundigen tunnelspectroscopie om de energiekloof van supergeleiders te meten, om zogeheten topologische materialen te bestuderen waarin elektronen zich op ongebruikelijke, robuuste manieren gedragen, en om het gedrag van losse moleculen of enkele atomen te karakteriseren, iets dat relevant is voor toekomstige moleculaire elektronica. Ook in het onderzoek naar bouwstenen voor kwantumcomputers speelt de techniek een rol, omdat sommige voorgestelde kwantumbits steunen op exotische elektronentoestanden die alleen op deze schaal zichtbaar worden.

Voorbeelden uit de praktijk

De techniek heeft een aantal duidelijke mijlpalen. De scanning tunneling microscoop zelf werd in 1981 uitgevonden door Gerd Binnig en Heinrich Rohrer bij IBM Research in Zürich. Voor deze uitvinding kregen zij in 1986 de Nobelprijs voor de Natuurkunde, samen met Ernst Ruska, die eerder de elektronenmicroscoop had ontwikkeld.

Een bekend en tot de verbeelding sprekend voorbeeld is het "quantum corral"-experiment van Michael Crommie, Christopher Lutz en Donald Eigler bij IBM Almaden in 1993. Zij plaatsten met de STM-naald zelf 48 losse ijzeratomen één voor één in een cirkel op een koperoppervlak en maten vervolgens met tunnelspectroscopie hoe elektronen daarbinnen golfpatronen vormden, zichtbaar als concentrische ringen. Het liet voor het eerst zien dat je met deze techniek niet alleen kunt kijken, maar ook individuele atomen kunt manipuleren.

In de jaren negentig en tweeduizend is tunnelspectroscopie een belangrijk gereedschap geworden bij het onderzoek naar hoge-temperatuursupergeleiders: materialen die pas bij relatief "hoge" (maar nog altijd zeer koude) temperaturen supergeleidend worden. Door de energiekloof lokaal te meten, konden onderzoekers ruimtelijke variaties in het materiaal in kaart brengen die met andere technieken onzichtbaar bleven.

Een ander voorbeeld is het onderzoek naar zogeheten Majorana-toestanden in halfgeleider-nanodraden, onder meer door de groep van Leo Kouwenhoven, verbonden aan TU Delft en QuTech. In 2012 rapporteerde deze groep meetsignalen in tunnelspectroscopie-experimenten die consistent waren met de aanwezigheid van Majorana-nulmodi, exotische kwantumtoestanden die mogelijk bruikbaar zijn voor foutbestendige kwantumcomputers. Dit veld illustreert ook hoe lastig de interpretatie van dit soort metingen kan zijn: een latere, ambitieuzere claim uit dezelfde onderzoekslijn, gepubliceerd in 2018, werd in 2021 door de auteurs zelf teruggetrokken nadat bleek dat bij de dataselectie fouten waren gemaakt. Het onderwerp staat sindsdien nog steeds volop in de belangstelling, maar met meer voorzichtigheid over interpretatie.

Tot slot wordt tunnelspectroscopie veel gebruikt om zogeheten Landau-niveaus in grafeen te bestuderen, de discrete energieniveaus die elektronen in een sterk magnetisch veld aannemen. Dit soort metingen, die sinds het einde van de jaren 2000 opkwamen, hielpen mee om de bijzondere elektronische eigenschappen van dit eenlaags koolstofmateriaal te bevestigen.

Hoe ver is de techniek?

Tunnelspectroscopie is geen opkomende, speculatieve technologie, maar een volwassen, breed geaccepteerde onderzoeksmethode die al meer dan veertig jaar in gebruik is. Vrijwel elk groot natuurkundelab met nanowetenschappen heeft wel een STM-opstelling. De belangrijkste ontwikkelingen van de laatste jaren zitten niet in het basisprincipe, maar in combinaties met andere technieken: spin-polarized STM kan naast lading ook de magnetische spinrichting van elektronen meten, en THz-STM combineert de ruimtelijke precisie van tunnelen met ultrakorte lichtpulsen om processen op femtoseconde-tijdschaal (een biljoenste van een miljoenste seconde) te volgen.

De belangrijkste beperkingen zijn nuchter en praktisch. De metingen vereisen doorgaans extreem lage temperaturen en ultrahoog vacuüm, wat dure en omvangrijke apparatuur vergt. De techniek is bovendien gevoelig voor trillingen en werkt alleen op geleidende of halfgeleidende oppervlakken, niet op isolatoren. Ze is ook in essentie een oppervlaktetechniek: je leert vooral iets over de bovenste atoomlaag, niet over wat zich dieper in een materiaal afspeelt. En het scannen van een groot gebied kost tijd, van minuten tot uren, wat de techniek ongeschikt maakt voor snelle, grootschalige toepassingen.

Wie werken eraan?

Onderzoek met tunnelspectroscopie is sterk internationaal verspreid over universiteiten en onderzoeksinstituten. IBM Research, met vestigingen in Zürich (Zwitserland) en voorheen Almaden (Verenigde Staten), heeft een historische en nog altijd actieve rol als bakermat van de techniek. In Nederland is TU Delft, via het onderzoeksinstituut QuTech, een belangrijke speler, vooral in het onderzoek naar exotische kwantumtoestanden voor kwantumcomputing.

Daarnaast dragen Max Planck-instituten in Duitsland, het Japanse onderzoeksinstituut RIKEN, en tal van universitaire natuurkundegroepen in de Verenigde Staten, Duitsland, Japan en Zwitserland actief bij aan het veld. Het gaat hier grotendeels om fundamenteel, publiek gefinancierd onderzoek, niet om commerciële productontwikkeling: tunnelspectroscopie is in de eerste plaats een instrument om de natuur beter te begrijpen, niet (nog) een technologie die op de markt wordt gebracht.