Stichting FOM 3 februari 2010

Verrassing: magneetveld heeft quantumwaarde

Onderzoek uit het FOM programma op het Nijmeegse lab voor hoge magneetvelden (HFML) laat opnieuw een fundamentele eigenschap van materie zien: magneetveld kwantiseert de ruimte. Dit effect, al voorspeld door Landau in de jaren dertig, is nu voor het eerst waargenomen op het HFML. Nature Physics publiceerde de ontdekking advanced online op 31 januari.
Figuur 1. Schematische representatie van een quantumring vergroten Figuur 1. Schematische representatie van een quantumring De periode van het klassieke Aharonov-Bohm-effect wordt door de flux F door het totale ringoppervlak A bepaald.
Figuur 2. Oscillaties voor drie verschillende ringen vergroten Figuur 2. Oscillaties voor drie verschillende ringen

waarvan de periodes alleen door het indringen van fluxquanta door het gearceerde geleidende oppervlak wordt bepaald (dus niet door het gehele oppervlak zoals bij het klassieke Aharonov-Bohm-effect). 'Je 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 beschrijven', stelt HFML-onderzoeker Uli Zeitler. 'We 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.'

De kwantummechanica leert dat veel natuurkundige grootheden altijd discreet optreden. Dit kwantumkarakter komt bijzonder duidelijk naar voren wanneer het effect op de materie in hoge magneetvelden wordt bestudeerd. Zo hebben elektronen een kwantumwaarde - een heel getal. Hetzelfde geldt voor de magnetische flux. Het fluxkwantum, uitgedrukt als h/e (h is de constante van Planck en e de elementaire lading van het elektron), is een kwantumwaarde. De beschikbare ruimte voor elk elektron wordt precies bepaald door de waarde van het magneetveld gedeeld door dit fluxkwantum h/e.

In het geval van een ringstructuur (van mesoscopisch halfgeleidermateriaal) moeten de in de ring aanwezige elektronen zich zodanig verdelen over de beschikbare plekken dat ze gemiddeld zo ver mogelijk van elkaar zitten, omdat de elektronen elkaar nu eenmaal afstoten. Zodra het magneetveld verhoogd wordt krimpt de beschikbare ruimte, en de elektronen komen dichter op elkaar te zitten. Dit duurt net zolang tot er plaats is voor een extra fluxkwantum en de elektronen zich op nieuw kunnen herverdelen. In transportexperimenten aan mesoscopische quantumringen treden dan oscillaties in de magneetweerstand op, telkens wanneer een extra fluxquantum de structuur binnen dringt.

Dat hoge magneetvelden niet alleen de energie maar ook de grootte en de plaats van beschikbare elektronentoestanden quantiseert (iets wat op zich al sinds de dertiger jaren bekend is), is nu door het laboratorium voor hoge magneetvelden (HFML) van het Institute for Molecules and Materials van de Radboud Universiteit Nijmegen, voor het eerst experimenteel waargenomen. Hiermee is een nieuwe B-periodieke oscillatie ontdekt die enkel en alleen op quantisatie zelf berust (en dus alleen van het magneetveld en natuurconstanten afhangt) en op geen enkele manier door interferentie van elektronengolven wordt veroorzaakt.