Skyrmion: een nieuw quantumdeeltje dat lijkt op bolbliksem

Voor het eerst hebben onderzoekers een skyrmion gemaakt in een superkoud gas. Finse en Amerikaanse onderzoekers deden dit door de magnetische momenten van de gasdeeltjes in een soort knoop te leggen. Het resultaat lijkt op een kleine bolbliksem.

Kunstenaarsimpressie van een skyrmion, dat lijkt op een quantumbolbliksem. Bron: Heikka Valja

Bolbliksem is een fel oplichtende bolvorm die waargenomen kan worden tijdens onweer. Het is een zeldzaam verschijnsel dat meerdere seconden kan duren. De oorzaak is niet zeker, maar wetenschappers denken dat het ontstaat door verstrengelde elektrische stromen waarin hete materie (plasma) gevangen zit. Dat plasma vormt een soort knoop.

Onderzoekers maakten een vergelijkbare elektromagnetische knoop in een super koud gas door de magnetische momenten van atomen in het gas verstrikt te laten raken. De gevormde knoop kan vervolgens strakker of losser gemaakt worden en draaien, maar hij raakt niet los.

Eerder was het onderzoekers al gelukt om tweedimensionale skyrmionen te maken op het oppervlak van een materiaal. ‘De eigenschappen van deze simpelere skyrmionen verschillen van die van onze 3D quantumdeeltjes’, zegt Mikko Möttönen van Aalto University in Finland. ‘We hebben echt een nieuw object gemaakt en niet een bijzondere variant van het 2D deeltje.’

Spin in de knoop

Schematische weergave van de spinstructuur van het skyrmion. Deeltjes met dezelfde spin vormen gesloten lussen die verstrengeld zijn tot een knoop. Bron: David Hall

De onderzoekers maakten gebruik van het magnetisch moment of ‘spin’ van atomen in een gas om een skyrmion te maken. Elk atoom heeft zo’n spin die verschillende kanten op kan wijzen. Je kunt je dit voorstellen door een atoom te zien als een super klein magneetje met een noord- en een zuidpool. Als je hem in een magneetveld plaatst, richt hij zich naar dat veld, zoals een kompasnaald. Dit is de spin-richting.

De onderzoekers koelden een gas van rubidium-87 atomen af tot vlak boven het absolute nulpunt. Het gas vormt dan een zogenoemd bose-einsteincondensaat, waarbij het zich niet meer gedraagt als losse atomen, maar als één groot geheel. Vervolgens brachten ze een magneetveld aan zodat de spin van alle atomen dezelfde kant op wezen. ‘Door het magneetveld op een plek in het gas op te heffen, gingen de spins rondom dat punt draaien’, zegt Möttönen. De spins die dezelfde kant op wijzen vormen magneetveld-lussen die verstrikt raken in een soort knoop.

Deze geknoopte structuur vormt een skyrmion. ‘We hebben nog niet getest hoe lang deze structuur stand houdt, maar we verwachten dat het deeltje lang blijft bestaan omdat het een stabiele knoop is’, zegt Möttönen.

Fusieplasma in de knoop

De techniek waarmee het skyrmion gemaakt is, kan misschien gebruikt worden in toekomstige fusiereactoren. In deze reactoren moet heet plasma waarin de kernfusie plaatsvindt bij elkaar gehouden worden. De magnetische-knooptechniek van het skyrmion zou gebruikt kunnen worden om fusieplasma in een knoop gevangen te houden. De Leidse natuurkundige Dirk Bouwmeester doet onderzoek naar de toepassing van dit soort plasmaknopen voor fusiereactoren.

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

Lees verder:

Over de auteur

Dorine Schenk

Dorine Schenk is freelance wetenschapsjournalist voor o.a. NRC en New Scientist. Ze studeerde (astro-)deeltjesfysica aan de Universiteit van Amsterdam. Daarnaast houdt ze van hardlopen. Volg haar op Twitter via @dorineschenk.



Plaats een reactie