17 feb. 1999
3 minuten
Wetenschappers hebben het verval van een elektron in twee afzonderlijke deeltjes ontdekt. Ieder van de twee deeltjes gaat er met een specifieke eigenschap van het elektron vandoor: een spinon met de spin – waardoor een elektron op een minuscule magneet lijkt – en een orbiton met het draaimoment van het elektron dat ontstaat doordat het elektron rondom de atoomkern beweegt. Deze nieuwe deeltjes zitten opgesloten in het materiaal waarin ze zijn geproduceerd.
Het onderzoek is gepubliceerd in Nature door een internationaal team van wetenschappers: experimenteel natuurkundigen van het Paul Scherrer Institut (Zwitserland) en theoretisch natuurkundigen van de Universiteit van Amsterdam (prof.dr. Jean-Sébastien Caux) en het IFW Dresden (Duitsland).
Elektronen zijn fundamentele deeltjes met karakteristieke eigenschappen zoals elektrische lading en ‘spin’. De spin zorgt ervoor dat we elektronen kunnen beschouwen als kleine magneetjes, die uiteindelijk ook voor magnetische effecten in materialen zorgen. Daarnaast bezitten elektronen in een materiaal nog een eigenschap genaamd ‘orbitaal moment’, gerelateerd aan de draaibeweging om de atoomkern. Normaal gesproken zijn spin en orbitaal moment gekoppeld aan één enkel elektron. In een experiment uitgevoerd aan het Paul Scherrer Institut zijn de beide eigenschappen nu voor het eerst ontkoppeld.
Röntgenstralen splitsen een elektron in een spinon en orbiton
Dat een elektron zich opsplitst in twee deeltjes kon worden afgeleid uit metingen aan de koperoxide-verbinding Sr2CuO3. Dit materiaal heeft de unieke eigenschap dat elektronen zich er slechts in één richting kunnen bewegen: vooruit of achteruit. Met röntgenstraling konden de wetenschappers sommige elektronen van de koperatomen van Sr2CuO3 naar hogere banen om de atoomkern aanslaan (naar hogere en energierijkere orbitalen). Daarna splitsten de vrijheidsgraden van het elektron zich: het spinon draagt de spin van het elektron weg terwijl het orbiton er met de extra orbitaal energie vandoor gaat. Het is voor het eerst dat de spin- en orbitaal vrijheidsgraden van elektronen ontkoppelen en van elkaar gescheiden raken.
In het experiment worden zeer energierijke röntgenstralen van de Swiss Light Source (SLS) op het Sr2CuO3 materiaal afgevuurd. Door de energie en impuls van de röntgenstralen voor en na de interactie met het materiaal te vergelijken, konden de natuurkundigen de eigenschappen van de nieuw gevormde deeltjes traceren. "Deze experimenten hebben niet alleen zeer sterke röntgenstralen nodig met een een extreem precies bepaalde golflengte", zegt Thorsten Schmitt, hoofd van het team van experimentatoren, "maar ook röntgendetectoren met een extreem hoge precisie. In dat opzicht is de SLS aan het Paul Scherrer Institut momenteel wereldwijd toonaangevend."
Elektron-splitsing ook te verwachten in andere materialen
Het team van theoretici, onder leiding van FOM projectleiders Jeroen van den Brink (IFW Dresden, Duitsland) en Jean-Sébastien Caux (IoP, Universiteit van Amsterdam) zorgden voor een nauwkeurige theoretische interpretatie van de resultaten. "Het was al enige tijd bekend dat de elektronen in bepaalde materialen in principe opgesplitst konden worden", aldus Van den Brink, "maar empirisch bewijs voor het bestaan van spinonen en orbitonen was er nog niet." De interpretatie van de experimentele gegevens werd mogelijk door de gedetailleerde state-of-the-art berekeningen aan de spindynamica van het materiaal, uitgevoerd door Caux aan de UvA. Van den Brink: "Nu we precies weten waar we naar ze moeten zoeken, verwachten we dat we deze nieuwe deeltjes in vele andere materialen zullen vinden."
Resultaten dragen mogelijk bij aan verklaring hoge-temperatuur supergeleiding
De waarneming van opsplitsing van elektronen zou belangrijke gevolgen voor de zoektocht naar hoge-temperatuur supergeleiders kunnen hebben. Door de overeenkomsten in het gedrag van elektronen in het Sr2CuO3 materiaal en in koper-bevattende supergeleiders, kan een beter begrip van het principe achter de elektronsplitsing mogelijk helpen om het -tot dusverre onbegrepen- fenomeen van hoge-temperatuur supergeleiding verklaren.
Bron: IoP-UvA
Anderen lazen ook
