Nieuw metaal met mandjesstructuur tovert met maf quantumgedrag van elektronen

Onderzoekers hebben eindelijk een zogeheten kagome-metaal geproduceerd. Het metaal heeft een bijzondere atoomstructuur, geïnspireerd op Japanse kagome-mandjes. Die structuur zorgt ervoor dat elektronen die door het metaal bewegen vreemd quantum-achtig gedrag vertonen.

Een traditioneel kagome-mandje met zijn kenmerkende weefstructuur. Beeld: OIST.

Het kagome-motief ontstaat bij de mandjes wanneer de makers bamboestroken in driehoekjes over elkaar vouwen. Op die manier ontstaan zeshoekige gaten in het patroon. Natuurkundigen zijn al jaren gefascineerd door dit motief, omdat zo’n patroon op atomaire schaal voor bijzondere elektronische eigenschappen zou moeten zorgen. Nu is het een groep Amerikaanse natuurkundigen voor het eerst gelukt zo’n metaal in het echt te bouwen. Zij beschreven hun resultaten in vakblad Nature

Bijzonder gedrag van elektronen

Toen de onderzoekers elektronen door het kagome-metaal stuurden, bleek dat de deeltjes niet rechtdoor bewogen, zoals in een stroomdraad gebeurt, maar compleet maffe paden volgden. Zo keerden de elektronen soms om, of bogen terug door het raamwerk.

Het is gedrag dat wel wat wegheeft van het zogeheten quantum-Hall-effect, een minstens net zo vreemd effect. Voor de ontdekking van dat effect won de Duitse fysicus Klaus von Klitzing in 1985 zelfs de Nobelprijs voor de natuurkunde. Bij het quantum-Hall-effect volgen elektronen in een tweedimensionaal materiaal onder invloed van een magneetveld bizarre, strakke circulaire paden, zonder dat ze daarbij energie verliezen. Volgens de onderzoekers kun je het gedrag van elektronen in het kagome-metaal nog het best beschouwen als een driedimensionaal neefje van dat effect.

De onderzoekers achter het nieuwe kagome-metaal. Op de achtergrond zie je het kagome-motief. Credit: Takehito Suzuki

Het was overigens niet eenvoudig om de weefstructuur van kagome-mandjes te vertalen naar de atoomstructuur van een metaal. Bij het weven van een mandje is het immers niet heel moeilijk om een gat te produceren, maar in een vaste stof wordt een groot gat al snel instabiel. Om dat probleem te tackelen, vulden de onderzoekers de gaten met tinatomen, terwijl ijzeratomen daaromheen de hoekpunten vormden. Op die manier ontstonden verschillende laagjes atomen met het kagome-motief die, opgestapeld, de 3D-structuur van het metaal vormden. Met behulp van een elektronenmicroscoop konden onderzoekers zien dat het hun inderdaad gelukt was om op die manier een kagome-metaal te produceren.

Bij kamertemperatuur

Het idee voor een materiaal dat het quantum-Hall-effect in drie dimensies nabootst bestaat al veel langer. Toch is het nu pas voor het eerst gelukt om dat idee ook in de praktijk te brengen. Een van de redenen dat het nu wel lukte, is dat de onderzoekers het patroon maakten uit ijzer, een materiaal dat inherent magnetisch is. Daardoor was niet niet langer nodig om sterke magneetvelden over het metaal aan te leggen om het gekke quantumgedrag uit te lokken. Sterker nog: doordat het ijzer altijd magnetisch is, vertoont het metaal het gedrag zelfs al bij kamertemperatuur, terwijl het quantum-Hall-effect voorheen alleen kon worden bereikt in sterk gekoelde materialen.

echt-quantum-martijn-van-calmthout
LEESTIP In Echt Quantum vertelt Martijn van Calmthout hoe de quantumwereld doordringt tot de normale wereld. Bestel nu in onze webshop

De ontdekking brengt de onderzoekers daarmee ook dichter bij het ontwikkelen van zogeheten supergeleiding – elektrische geleiding zonder weerstand – bij kamertemperatuur. Omdat stroom vervoeren door supergeleidende draden veel minder energie kost, is dat een van de heilige gralen van de moderne toegepaste fysica. ‘De ladingen in het kagome-metaal voelen niet alleen de magnetische velden van de atomen, maar ook de pure quantummechanische kracht van het raamwerk’, stelde Joseph Checkelsky, een van de onderzoekers achter het kagome-metaal in een persverklaring. ‘Dat zou kunnen leiden tot perfecte geleiding, oftewel supergeleiding, in toekomstige versies van het materiaal.’

Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.

Lees verder:

Plaats een reactie