Materiaal laat magneetvelden bewegen als elektronen
Meer informatie
Contactperso(o)n(en): Ans Hekkenberg
Weblocatie: http://www.fom.nl/live/nieuws/archief_persberichten/persberichten2015/artikel.pag?objectnumber=307651
printerversie
11 september 2015
Materiaal laat magneetvelden bewegen als elektronen
Onderzoekers van onderzoeksinstituut MESA+ van de Universiteit Twente hebben een materiaal ontwikkeld waarmee je 'op grote schaal' quantumeigenschappen kunt onderzoeken. Ze creeerden supergeleidend materiaal dat geisoleerde magneetveldjes, kunstmatige elektronen, bevat die bevroren zijn tussen
kunstmatige atomen. Door een elektrische stroom door het materiaal te laten lopen, kunnen ze de magneetveldjes laten smelten. Met het materiaal kun je de overgang van een isolator naar een geleider goed onderzoeken. Hiermee slaat het onderzoek een brug tussen de klassieke mechanica en de
quantummechanica. Het onderzoek, dat onder meer is uitgevoerd in samenwerking met Argonne National Laboratory en medegefinancierd is door FOM, is gepubliceerd in Science.
Quantumverschijnselen van materialen zijn vaak zeer moeilijk te onderzoeken, vanwege de extreem kleine schaal waarop deze zich voordoen en de gevoeligheid voor defecten in de materialen. Onderzoekers zijn er nu in geslaagd een systeem te ontwikkelen, waarmee je deze verschijnselen op veel
grotere schaal kunt bestuderen. Ze creeerden een materiaal dat 90.000 kleine eilandjes van het element niobium bevat, die zich elk gedragen als kunstmatige atomen. Deze eilandjes zijn zo'n 200 nanometer groot en liggen circa 50 nanometer van elkaar af (een nanometer is een miljoen keer kleiner
dan een millimeter). Erg klein dus, maar vergeleken met de wereld van echte atomen en elektronen zijn ze reusachtig. Als je een extern magneetveld aanlegt over deze eilandjes, dan ontstaan er tussen de eilandjes magneetveldjes van een vaste, gekwantiseerde grootte.
Kunstmatige atomen en elektronen
Doordat de magneetveldjes zich gedragen als kunstmatige elektronen en je de eilandjes kunt beschouwen als kunstmatige atomen, kun je met het materiaal nauwkeurig en op relatief grote schaal de relatie tussen het atoomrooster en het gedrag van elektronen onderzoeken. Het onderzoek slaat hiermee
een brug tussen de wereld van de klassieke mechanica en die van de quantummechanica.
Schuifpuzzel
In het onderzoek is specifiek gekeken naar de zogeheten Mott-overgang van een isolerende naar een geleidende toestand. In een isolator zitten de elektronen opgesloten. FOM-werkgroepleider Hans Hilgenkamp, een van de betrokken onderzoekers, vergelijkt het met een schuifpuzzel, waarvan je de
stukjes niet kunt verplaatsen omdat er geen lege vakjes zijn. "Als je een paar van de stukjes weghaalt, kun je opeens alle puzzelstukjes doorschuiven. Als je dat vertaalt naar de wereld van de elektronen, dan wordt een materiaal opeens geleidend."
Smeltend magneetijs
"In ons onderzoek doen we hetzelfde met de magneetveldjes," vervolgt Hilgenkamp. "In ons materiaal zijn de magneetveldjes bevroren, ze zitten opgesloten tussen de kunstmatige atomen. Als we nu een elektrische stroom door het systeem laten lopen of het aangelegde magneetveld iets veranderen,
dan kunnen we die bevroren toestand opheffen; we laten als het ware het 'magneetijs' smelten, en de magneetvelden kunnen zich gaan verplaatsen ten opzichte van het rooster van supergeleidende eilandjes." Het materiaal biedt de mogelijkheid om de overgang van een isolator naar een geleider goed
te bestuderen. Belangrijk voordeel van het materiaal is dat je deze faseovergang nu met een relatief groot systeem kunt onderzoeken, waardoor je veel nauwkeurigere metingen kunt doen en allerlei variaties kan aanbrengen. Volgens Alexander Brinkman, die ook bij het onderzoek betrokken was,
openen de onderzoekers hiermee een nieuw onderzoeksveld en leveren ze met het materiaal tegelijkertijd een middel waarmee je dit onderzoek kunt uitvoeren. "We kunnen nu met een klassiek systeem quantumeigenschappen op atomair niveau bestuderen. Dit kan bijvoorbeeld leiden tot nieuwe
elektronische schakelingen met speciale soorten transistoren."
Onderzoek
Het onderzoek is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Science. Het UT-onderzoeksteam bestond uit de postdocs Nicola Poccia, Francesco Coneri en Xiao Renshaw Wang, promovendus Cor Molenaar en de professoren Alexander Brinkman, Alexander Golubov en Hans Hilgenkamp. Zij werkten samen
met wetenschappers van Argonne National Laboratory (VS), de Russische Academie van de Wetenschappen, het International Center for Materials Science Superstripes in Rome, de Novosibirsk State University, het Moscow Institute of Physics and Technology en de Queen Mary University in London. Het
onderzoek is financieel mogelijk gemaakt door onder meer NWO en FOM.