‘We juichten toen het materiaal licht uitzond’

‘We juichten toen het materiaal licht uitzond’

[ad_1]


Het afgelopen jaar is internet een nog grotere rol gaan spelen in ons leven. We videobellen ons suf en nemen deel aan online culturele activiteiten en conferenties. Alle datastromen die daarvoor nodig zijn, worden verwerkt door energieslurpende datacentra die tegen limieten aanlopen op het gebied van snelheid en efficiëntie. Dat kan beter.

CV Elektrotechniek

Elham Fadaly (1991) groeide op in Egypte en is van jongs af aan gefascineerd door bètawetenschappen. Ze kreeg een beurs om elektrotechniek te studeren aan de American University in Caïro. Via een master nanotechnologie belandde ze in Eindhoven. Haar rolmodel is Ahmed Zewail, de enige Egyptische bèta die de Nobelprijs kreeg (Scheikunde, 1999).
Elektrische signalen bestaan uit elektronen die door koperlijntjes op chips bewegen. „Wij willen die trage elektrische signalen in chips vervangen door lichtsignalen”, vertelt Elham Fadaly, die op 16 april cum laude promoveerde aan de TU Eindhoven. „Licht is sneller – het beweegt met de lichtsnelheid – en het produceert veel minder warmte dan de elektrische signalen.” Warmte is verloren energie en zorgt ervoor dat datacentra gekoeld moeten worden.Elektronica op basis van licht, fotonica, is dus sneller en energie-efficiënter. Daarom wordt er al ruim zestig jaar aan gewerkt. Het grootste struikelblok is het realiseren van een lichtbron, een minuscuul lasertje, die verwerkt kan worden in een chip.Tijdens haar promotie lukte het Fadaly, met collega’s, om een legering met silicium te ontwikkelen die licht uitzendt: de ‘heilige graal’ in de fotonica. Die prestatie leverde de onderzoeksgroep een prestigieuze prijs op van natuurkundetijdschrift Physics World. Eerder ging de prijs naar de eerste foto van een zwart gat (2019) en de ontdekking van het higgsdeeltje (2012).Waarom is een lasertje van silicium de heilige graal?„De chips in onze telefoons, datacentra en andere elektronica zijn gemaakt van silicium. Silicium is in overvloed aanwezig op aarde en is goedkoop. Ook heeft het goede elektronische materiaaleigenschappen. De productie-infrastructuur ligt er al. Het enige nadeel is dat het slechte optische materiaaleigenschappen heeft, waardoor het niet efficiënt het gewenste licht kan uitzenden.Onze techniek bouwt voort op een wetenschappelijk artikel uit de jaren 70„Als we op één chip elektrische en optische signaleren willen combineren, dan moeten we nu silicium elektronica combineren met schaarse, duurdere materialen met goede optische eigenschappen. Niet alleen lopen de kosten hierbij op, je moet de twee materialen ook op een complexe manier aan elkaar vastlijmen.„Tijdens mijn promotieonderzoek heb ik gewerkt aan een manier om de optische eigenschappen van silicium te verbeteren. Het doel was om silicium op een efficiënte manier licht uit te laten zenden, zodat we het kunnen gebruiken in fotonica.”Hoe is het jullie gelukt om silicium licht uit te laten zenden?„Onze techniek bouwt voort op een wetenschappelijk artikel uit de jaren 70 dat voorspelt dat een combinatie van silicium en germanium licht kan uitzenden als de atomen gerangschikt zijn in een zeshoekige structuur. Door de atomaire structuur te veranderen, verander je ook de eigenschappen van de elektronen in het materiaal. En de elektronen bepalen of en hoe een materiaal licht uitzendt. Mijn missie was om die atomaire structuur te fabriceren. Dat is niet eenvoudig, omdat silicium-germanium van nature een kubusvormige atomaire structuur heeft.Om een materiaal licht uit te laten zenden, moet je er eerst energie in stoppen„Om de atomen in de zeshoekige structuur te forceren, gebruikte ik een dun nanodraadje (0,035 micrometer doorsnee) van galliumarsenide, met precies de gewenste zeshoekige structuur, als mal. Vervolgens liet ik er een laagje silicium-germanium omheen groeien dat door de mal gedwongen werd om dezelfde zeshoekige structuur aan te nemen. Door de juiste mal te kiezen en de druk, temperatuur en andere omgevingsfactoren goed af te stemmen, lukte het om zeshoekig silicium-germanium te laten groeien met een hoge kwaliteit. De kwaliteit is belangrijk. Bij eerdere experimenten lukte het niet om het materiaal efficiënt licht te laten uitzenden omdat er te veel onzuiverheden en gebreken in zaten.”Hoe lieten jullie het silicium-germanium licht uitzenden?„Om een materiaal licht uit te laten zenden, moet je er eerst energie in stoppen. Daarmee geef je elektronen in het materiaal wat extra energie waardoor ze in een hogere energietoestand komen. Als ze weer ‘terugvallen’ naar hun lagere energietoestand, zenden ze licht uit. De eenvoudigste manier om dat te doen is door met een laser op het materiaal te schijnen.„Ik hield mijn adem in toen we dit deden bij het silicium-germanium dat ik met veel tijd en moeite gemaakt had. De eerste keer dat we zagen dat het materiaal licht uitzond, begonnen we te juichen. We hebben meteen alle internationale collega’s met wie we samenwerken enthousiast gemaild.”Is dit materiaal nu geschikt voor gebruik in een fotonische chip?„Nee, om het daarvoor te kunnen gebruiken moet het licht dat door het silicium-germanium wordt uitgezonden bepaalde extra eigenschappen hebben zodat het gebruikt kan worden als lasertje. Daar werkt de Eindhovense onderzoeksgroep nu aan. Als dat lukt, is het volgende doel om het materiaal licht te laten uitzenden zonder dat een externe laser nodig is. De benodigde energie komt dan bijvoorbeeld van een elektrisch stroompje. Als dit ook lukt, dan kan het materiaal zelf dienst doen als minuscuul lasertje dat verwerkt kan worden in een chip. Dat zijn de volgende stappen die nodig zijn.”We geven les over hoe je een wetenschappelijk artikel leest en schrijftWat is jouw volgende stap, nu je gepromoveerd bent?„Onderzoek is mijn passie, daar wil ik mee doorgaan. Na het fundamentele werk aan de universiteit wil ik graag de meer toegepaste kant van onderzoek leren kennen. Daarom vertrek ik volgende maand naar Californië waar ik als laser-ingenieur onderzoek ga doen bij Apple. Al sinds mijn studie elektrotechniek ben ik geïnteresseerd in de grote bedrijven die de technologie ontwikkelen die we dagelijks gebruiken. Bij Apple werken is een droom die uitkomt.”Naast je onderzoek ben je als vrijwilliger betrokken bij Egypt Scholars. Wat houdt dat in?„Sinds ik scholier ben doe ik vrijwilligerswerk. Eerst bij het Rode Kruis en later bij de Verenigde Naties. Tegen het einde van mijn bachelorstudie werd ik gekozen als Afrikaanse VN-jongerenvertegenwoordiger voor het klimaat.„Sinds 2013 ben ik betrokken bij Egypt Scholars, een gemeenschap voor Egyptische en Arabische scholieren en studenten. We helpen ze om de beste kansen te krijgen op het gebied van educatie. Ook ondersteunen we ze als ze het wetenschappelijke onderzoek in willen. We helpen bijvoorbeeld bij het vinden van beurzen en we geven les over hoe je een wetenschappelijk artikel leest en schrijft.„Medevrijwilligers zitten over de hele wereld, ze werken in onderzoek of bijvoorbeeld bij grote techbedrijven. Het is een mooie gemeenschap en een fijn netwerk. Ik heb het gevoel dat ik een familielid heb in elk land dat ik bezoek. Zo heb ik via Egypt Scholars nu al een aantal contacten in Californië.”

[ad_2]

admin

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *