Materiaal laat magneetvelden bewegen als elektronen

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 kwantummechanica. Het onderzoek, dat onder meer is uitgevoerd in samenwerking met Argonne National Laboratory en medegefinancierd is door FOM, is gepubliceerd in Science.

Kwantumverschijnselen 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 creëerden 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. 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 kwantummechanica.

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 kwantumeigenschappen 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.