Radboud Universiteit Nijmegen
Kwantumparadox in dunste laagje grafiet
De beroemde Klein-paradox die voorspelt dat snel bewegende elektronen
dwars door obstakels heen kunnen vliegen is tot nu toe alleen in
theorie te onderzoeken. Daar komt verandering in. Grafeen, een
kortgeleden ontdekte variant van grafiet, is geschikt om het fenomeen
op aarde te toetsen. Nature publiceert de onderzoeksopzet van prof.
Katsnelson van het Institute for Molecules and Materials van de
Radboud Universiteit Nijmegen in september. Nu al online.
Grafeen is een bijzonder molecuul. Het bestaat uit schijfjes koolstof
van één atoom dik. Vorig jaar werden exotische eigenschappen van
grafeen ontdekt: elektronen kunnen door het materiaal bewegen alsof ze
geen massa hebben, met een snelheid van ongeveer een miljoen meter per
seconde. Deze eigenschappen lijken ook een ander effect mogelijk te
maken, vergelijkbaar met de Klein Paradox, waarvan tot nu toe werd
aangenomen dat die alleen voorkwam in extreme condities van
bijvoorbeeld zwarte gaten. Prof. Mikhail Katsnelson, theoretisch
natuurkundige van het Institute for Molecules and Materials van de
Radboud Universiteit Nijmegen en Kostya Novoselov en Andre Geim van de
University of Manchester publiceren hun berekingen in september in
Nature Physics. Het blad wilde het nieuws echter niet zo lang bewaren
en publiceerde 20 augustus al online.
De Klein-paradox werd in 1929 door Oskar Klein geformuleerd om de
bizarre implicaties te onderstrepen van Paul Diracs berekeningen om
kwantummechanica en relativiteitstheorie samen te brengen - een
kwestie die tot op heden actueel is. Een consequentie van deze
Klein-paradox is dat als snelbewegende elektronen een erg sterke
barrière tegenkomen ze er toch gewoon doorheen bewegen in plaats van
af te ketsen. Het fenomeen wordt veel besproken in de context van
deeltjes-, kern- en astrofysica, maar het direct testen was tot nu toe
onmogelijk.
De auteurs publiceren nu een ontwerp voor een simpel bench-top
experiment om het fenomeen te testen met elektrostatische barrières in
grafeen met één of twee laagjes atomen. Het is een veelbelovende
aanwijzing hoe grafeen op korte termijn een rol kan gaan spelen om
eerder niet experimenteel te onderzoeken fundamentele natuurkundige
eigenschappen te toetsen. Ook laten de drie natuurkundigen methoden
zien om electronen te controleren in transistoren van grafeen.
M. I. Katsnelson, K. S. Novoselov and A. K. Geim; Chiral tunnelling
and the Klein paradox in graphene. Nature Physics advance publication:
20 August 2006
Prof. Katsnelson is hoogleraar theoretische natuurkunde bij het
Institute for Molecules and Materials (IMM) en bekend als auteur van
het standaardwerk "Quantum Solid State Physics". Andre Geim kreeg in
zijn IMM-periode bekendheid met het experiment met de zwevende kikker,
dat hem de igNobel-prijs opleverde (the prize that first makes you
laugh and then makes you think) en het laboratorium voor hoge
magneetvelden (HFML) eeuwige roem. Ook Kostya Novoselov promoveerde
bij het HFML.