Stichting FOM
20 oktober 2009, 2009/42
Koude atomen bieden weerstand
Theoretisch natuurkundigen van de Stichting FOM en de Universiteit
Utrecht hebben ontdekt dat een specifieke vorm van weerstand zich voor
ultrakoude atomaire gassen radicaal anders gedraagt dan voor
elektrische geleiders. De wrijvingsweerstand tussen deeltjes met
verschillende spin ('spin drag resistance') wordt voor gewone
geleiders door afkoeling kleiner. De onderzoekers hebben echter
aangetoond dat deze weerstand voor ultrakoude atomaire gassen
spectaculair veel groter is vanwege kwantummechanische veel-deeltjes
effecten, en zelfs juist toeneemt als het systeem kouder wordt. Dit
werk biedt nieuwe inzichten in de fundamentele aspecten van lading- en
spintransport. Dat laatste speelt met name een rol in de zogenaamde
'spintronica', een vakgebied dat onder meer de Ipod mogelijk heeft
gemaakt. FOM-werkgroepleiders Rembert Duine en Henk Stoof publiceren
hun resultaten op 19 oktober online in het toonaangevende tijdschrift
Physical Review Letters waar het als 'editor's suggestion' wordt
aangemerkt. Tegelijkertijd verschijnt er een Viewpoint commentaar in
Physics over dit werk.
Figuur 1. 'Spin drag' in koude atomen
vergroten Figuur 1. 'Spin drag' in koude atomen
Een tijdsafhankelijk magneetveld (kleine blauwe pijlen) zet een van de
twee spin componenten van de atomen (rood bolletje met pijl) in
beweging rond een torus (zwarte lijn). De andere spin component (rood
bolletje zonder pijl) wordt in beweging gezet door botsingen hetgeen
leidt tot wrijvingsweerstand.
Het manipuleren van elektrische geleiding staat aan de basis van alle
elektronica. Het begrijpen van elektronisch transport is mede daarom
een van de belangrijkste onderzoeksdoelen van de fysica van de
gecondenseerde materie. Materialen worden aan de hand van hun
geleidingseigenschappen gekarakteriseerd: is het een geleider,
halfgeleider, of supergeleider? Bovendien geven transportmetingen
belangrijke fysische informatie over het materiaal.
Elektronen hebben een ingebouwd kompasnaaldje, dat zich volledig
kwantummechanisch gedraagt, hun zogenaamde 'spin'. Dit houdt in dat
elektronen in een geleider in twee verschillende spintoestanden kunnen
voorkomen. Het is mogelijk om de wrijvingsweerstand tussen de twee
spincomponenten van het elektron te onderzoeken, de zogenaamde 'spin
drag resistance'. Deze weerstand wordt, net als een normale
elektrische weerstand, kleiner bij een lagere temperatuur. Atomen
hebben geen elektrische lading maar wel spin, en het is dus mogelijk
om dezelfde weerstand te bestuderen voor systemen van koude atomen.
Van theorie naar experiment
De onderzoekers stellen nu voor om, naar aanleiding van hun
theoretisch onderzoek, daadwerkelijk een experiment uit te gaan voeren
met een gas van bosonische atomen (figuur 1). In dit experiment wordt
slechts één van de spincomponenten van het gas in beweging gezet. Door
de onderlinge botsingen van de atomen in het gas die leiden tot
wrijvingsweerstand, zal uiteindelijk ook de andere spincomponent gaan
mee bewegen. Ondanks het feit dat er geen wanorde en geen onderliggend
rooster is in dit systeem, zou een groot deel van de wetten die gelden
voor elektronisch transport ook hier van toepassing moeten zijn. De
verwachting is dat het gas bijvoorbeeld ook opwarmt, op een manier die
volledige analoog is aan de opwarming van elektronische systemen onder
spanning - denk hierbij bijvoorbeeld aan een gloeilamp die, behalve
licht, ook warmte uitstraalt. De wrijvingsweerstand zelf is echter
veel groter dan in een conventionele geleider, en neemt niet af maar
toe met het afkoelen van het systeem. De onderzoekers verklaren dit
fundamentele verschil doordat de atomen tot de deeltjes-klasse van de
bosonen behoren, dat wil zeggen, een heeltallige spin hebben, terwijl
elektronen een halftallige spin hebben en dus fermionen zijn. Kort
samengevat blijkt uit de kwantummechanica dat fermionen 'asociale'
deeltjes zijn die elkaar mijden en daardoor weinig met elkaar botsen,
terwijl bosonen juist 'sociaal' zijn, veel botsen, en daardoor veel
onderlinge wrijving ondervinden. Het voorgestelde experiment zou het
eerste spintronica experiment in het vakgebied van de koude atomen
worden, en leiden tot beter fundamenteel begrip van ladings- en
spintransport. De voorbereidingen voor dit experiment zijn momenteel
in volle gang in de FOM-werkgroep van Peter van der Straten aan de
Universiteit Utrecht.
Referentie
Spin Drag in Noncondensed Bose Gases, R.A. Duine and H.T.C. Stoof.
Per 19 oktober 2009 online op Physical Review Letters en het viewpoint
commentaar via:
http://physics.aps.org/articles/v2/87.