De magneet die niet bestond (video)

De resultaten zijn gepubliceerd in Nature.

In een ferromagneet richten de spins van vele elektronen zich parallel aan elkaar en combineren ze zich tot één groot magnetisch veld. Nagaoka voorspelde een nieuw en verrassend mechanisme voor het optreden van ferromagnetisme, dat niet eerder in enig systeem was waargenomen.

Onderzoeker JP Dehollain: "Een schuifpuzzel kan helpen om de voorspelling van Nagaoka te begrijpen. Deze puzzel bestaat uit een rooster van vier bij vier tegels, met één enkele lege plek. Door de tegels te schuiven, kun je de puzzel oplossen. Denk vervolgens aan de Nagaoka-magneet als een soortgelijk tweedimensionaal, vierkant rooster, waarbij elke tegel een elektron is. De elektronen gedragen zich dan als de tegels in de puzzel en schuiven rond in het rooster".

"Als de elektronen niet zijn uitgelijnd (links in de afbeelding), dan zullen de elektronen na iedere verschuiving een andere opstelling vormen ten opzichte van elkaar. Als daarentegen alle elektronen zijn uitgelijnd (rechts), dan blijft de opstelling altijd hetzelfde, ongeacht hoe de elektronen worden geschoven."

Nagaoka ontdekte dat het uitlijnen van de elektronenspins resulteert in een lagere energie van het systeem. "Als gevolg daarvan zal een systeem van een vierkant, tweedimensionaal rooster met één ontbrekend elektron van nature de voorkeur geven aan een toestand waarin alle elektronenspins zijn uitgelijnd – een Nagaoka-ferromagnetische toestand."

Doe-het-zelfmagneet

De onderzoekers hebben, voor het eerst in de geschiedenis, experimentele verschijnselen van Nagaoka-ferromagnetisme waargenomen. Uditendu Mukhopadhyay: "We hebben dit bereikt door een apparaat te ontwerpen dat enkele elektronen kan ‘vangen’. Deze kwantumdots worden al een tijdje gebruikt in wetenschappelijke experimenten. Onze uitdaging was om een tweedimensionaal, zeer controleerbaar rooster van vier kwantumdots te maken. Om deze apparaten te laten werken, moesten we een elektrisch circuit in de nanometerschaal bouwen, ze afkoelen tot bijna het absolute nulpunt (-272,99°C) en miniscule elektrische signalen meten.

"Onze volgende stap was om drie elektronen te vangen en deze vrij te laten bewegen binnen het twee-bij-twee rooster, waardoor de specifieke voorwaarden voor Nagaoka-ferromagnetisme werden gecreëerd. We moesten vervolgens aantonen dat dit rooster zich inderdaad als een magneet gedraagt. Het magnetisch veld dat door drie elektronen wordt opgewekt is te klein om met conventionele methoden te detecteren, dus in plaats daarvan gebruikten we een zeer gevoelige elektrische sensor die de spinrichting van de elektronen kon ‘ontcijferen’ en omzetten in een elektrisch signaal dat we in het lab konden meten. Op deze manier konden we bepalen of de elektronenspins waren uitgelijnd zoals verwacht."

De puzzel opgelost

"De resultaten waren glashelder: we hebben Nagaoka-ferromagnetisme aangetoond," zegt hoofdonderzoeker Lieven Vandersypen. "Toen we aan dit project begonnen, wist ik niet zeker of het experiment wel mogelijk zou zijn, omdat de fysica zo anders is dan al het andere wat we ooit in ons lab hebben bestudeerd. Maar ons team is erin geslaagd om de juiste experimentele omstandigheden te creëren voor Nagaoka-ferromagnetisme en toonde de robuustheid van het kwantumdotsysteem aan."