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.