Radboud Universiteit Nijmegen
Nature Physics: Magneetveld heeft kwantumwaarde
Datum bericht: 1 februari 2010
Onderzoek in het Nijmeegse lab voor hoge magneetvelden (HFML) laat
opnieuw een fundamentele eigenschap van materie zien: magneetveld
kwantiseert de ruimte.
âJe hebt geen CERN nodig, en supercleane experimenten om nieuwe
natuurconstantes te vinden. We kunnen magneetveld nu puur definiëren
in fundamentele natuurconstantes. Een mooie stap in het zoeken naar
fysische universalia om de natuur mee te beschrijvenâ, stelt
HFML-onderzoeker Uli Zeitler. âWe laten hiermee weer op hoog niveau de
mogelijkheden van magneetonderzoek zien. Alleen door onze hoge velden
kunnen we aantonen wat Landau in de jaren dertig al impliciet
voorspelde.â Â
In het kortÂ
* Elektronen hebben een kwantumwaarde â een heel getal.
* De magnetische flux, het magneetveld dat rond een elektron
ontstaat door het draaien van het elektron, heeft ook een
kwantumwaarde: het flux-kwantum, uitgedrukt als h/e , h is de
constante van Planck en e de elementaire lading van het elektron.
* Als consequentie hiervan passen alleen een discreet aantal
flux-kwanta in een structuur.
* De waarde van het magneetveld is echter continu.
* Om de som kloppend te krijgen moet de oppervlakte van de structuur
zich wel aanpassen: als het magneetveld toeneemt (en de
flux-kwanta desgevolg kleiner worden) krimpt de structuur. Dit
verhoogt de weerstand. In dit experiment ging het om een ring.
* Dit gaat door tot er precies één extra fluxkwantum bijpast. Dan
wordt de ring weer groter en de weerstand weer lager.
* Dit is voor het eerst aangetoond met experimenten in het HFML, het
laboratorium voor hoge magneetvelden van het Institute for
Molecules and Materials van de Radboud Universiteit Nijmegen.
* Nature Physics publiceert de ontdekking advanced online op 31
januari.
De kring gesloten houden
opblaasbare-stoel.jpg (8 Kb)
In een kamer staat voor een verjaarsvisite een kring opblaasstoelen
klaar voor de gasten. De kring is zo groot mogelijk gemaakt, meer
kunnen er echt niet bij in de kamer. De gastvrouw heeft besloten dat
de stoelen tegen elkaar aan moeten staan. Jammer genoeg zijn de
stoelen een beetje lek. Ze worden steeds kleiner en de kring dus ook:
halve opblaasstoelen bestaan immers niet. Dat gaat zo door tot er weer
plek is voor precies één extra stoel. Die wordt dan snel
bijgeschoven en dan dijt de kring weer uit. In dit verhaaltje staan de
stoelen voor de flux-kwanta: de ruimte die elektronen in kunnen
nemen, en die krimpt als het magneetveld toeneemt. De elektronen
zijn de gasten voor de verjaardagsvisite. Het moge duidelijk zijn dat
het niet uitmaakt of er gasten op de stoelen zitten: het gaat om de
ruimte die voor hen gereserveerd is.
Â
Fundamentele natuurkunde
De auteurs, Uli Zeitler en Jan Kees Maan, leggen het zo uit: in elke
mesoscopische halfgeleiderstructuur kwantiseert een magneetveld niet
alleen de energie van elektronen maar discretiseert ook hun mogelijke
ruimtelijke posities. De beschikbare ruimte voor elk elektron wordt
precies bepaald door de waarde van het magneetveld gedeeld door het
magnetische flux-kwantum h/e (h is de constante van Planck en e de
elementaire lading). De in de ring aanwezige elektronen moeten zich nu
verdelen over de beschikbare plekken, en wel zodanig dat ze
gemiddeld zo ver mogelijk van elkaar zitten omdat de elektronen
elkaar nu eenmaal afstoten. Het blijkt dat dit alleen goed mogelijk is
voor waardes van het magneetveld waar precies een geheel aantal
plekken op het beschikbare oppervlak passen. In transportexperimenten
aan mesoscopische kwantumringen treden dan oscillaties op in de
magneetweerstand van de ringen telkens wanneer aan deze voorwaarde is
voldaan.
Dat hoge magneetvelden niet alleen de energie maar ook de grootte en
de plaats van beschikbare elektronentoestanden kwantiseert (iets wat
op zich al sinds de dertiger jaren bekend is) wordt hiermee voor het
eerst zo duidelijk waargenomen. Hiermee is een nieuwe B-periodieke
oscillatie ontdekt die enkel en alleen op kwantisatie zelf berust (en
dus alleen van het magneetveld en natuurconstantes afhangt) en op geen
enkele manier door interferentie van elektronengolven wordt
veroorzaakt.
Â
Â
Â
Â
Â