Skip to content
Home » Natuurkundigen onderzoeken Morphing-eigenschappen van honingraatachtig kwantummateriaal

Natuurkundigen onderzoeken Morphing-eigenschappen van honingraatachtig kwantummateriaal

    Natuurkundigen onderzoeken Morphing-eigenschappen van honingraatachtig kwantummateriaal

    oktober 13, 2022 – Een reeks zoemende, bij-achtige “lusstromen” zou een recent ontdekt, nooit eerder gezien fenomeen in een soort kwantummateriaal kunnen verklaren. De bevindingen van onderzoekers van de University of Colorado Boulder kunnen ingenieurs ooit helpen bij het ontwikkelen van nieuwe soorten apparaten, zoals kwantumsensoren of het kwantumequivalent van computergeheugenopslagapparaten.

    Grafische weergave van “lusstromen” (lichtblauw) die in een honingraatachtig materiaal stromen terwijl elektronen (groen) er doorheen gaan. Krediet: Oak Ridge National Laboratory.

    Het betreffende kwantummateriaal is bekend onder de chemische formule Mn3si2Te6. Maar je zou het ook ‘honingraat’ kunnen noemen, omdat de mangaan- en telluuratomen een netwerk vormen van in elkaar grijpende octaëders die eruitzien als de cellen in een bijenkorf.

    Natuurkundige Gang Cao en zijn collega’s van CU Boulder synthetiseerden deze moleculaire bijenkorf in hun laboratorium in 2020, en ze stonden voor een verrassing: onder de meeste omstandigheden gedroeg het materiaal zich veel als een isolator. Met andere woorden, er konden geen elektrische stromen gemakkelijk doorheen gaan. Toen ze de honingraat echter op een bepaalde manier aan magnetische velden blootstelden, werd hij ineens miljoenen keren minder bestand tegen stromen. Het was bijna alsof het materiaal van rubber in metaal was veranderd.

    “Het was zowel verbazingwekkend als raadselachtig”, zei Cao, professor aan de CU Boulder Department of Physics en corresponderende auteur van de nieuwe studie. “Onze vervolginspanningen bij het nastreven van een beter begrip van de verschijnselen hebben ons tot nog meer verrassende ontdekkingen geleid.”

    Nu denken hij en zijn collega’s dat verbazingwekkende gedrag te kunnen verklaren. De groep, waaronder verschillende afgestudeerde studenten van CU Boulder, publiceerden haar meest recente resultaten online op 10 oktober. 12 in het journaal Natuur.

    Op basis van experimenten in het laboratorium van Cao meldt de groep dat de honingraat onder bepaalde omstandigheden bruist van kleine interne stromen die bekend staan ​​​​als chirale orbitale stromen of lusstromen. Elektronen ritselen rond in lussen binnen elk van de octaëders in dit kwantummateriaal. Sinds de jaren negentig hebben natuurkundigen getheoretiseerd dat dergelijke lusstromen zouden kunnen bestaan ​​in een handvol bekende materialen, zoals supergeleiders bij hoge temperaturen, maar ze moeten ze nog rechtstreeks waarnemen.

    Cao zei dat ze in staat zouden kunnen zijn om verrassende transformaties in kwantummaterialen teweeg te brengen, zoals degene die hij en zijn team tegenkwamen.

    “We hebben een nieuwe kwantumtoestand van materie ontdekt,” zei Cao. “De kwantumtransitie is bijna als ijs dat in water smelt.”

    Kolossale veranderingen

    De studie huisvest een vreemde eigenschap in de natuurkunde die kolossale magnetoweerstand (CMR) wordt genoemd.

    In de jaren vijftig realiseerden natuurkundigen zich dat als ze bepaalde soorten materialen blootstelden aan magneten die een magnetische polarisatie genereren, ze die materialen een verschuiving konden laten ondergaan, waardoor ze overschakelden van isolatoren naar meer draadachtige geleiders. Tegenwoordig duikt deze technologie op in schijfstations van computers en vele andere elektronische apparaten waar het helpt om elektrische stromen langs verschillende paden te regelen en te pendelen.

    De honingraat in kwestie verschilt echter enorm van die materialen – de CMR treedt alleen op als de omstandigheden diezelfde soort magnetische polarisatie vermijden. De verschuiving in elektrische eigenschappen is ook veel extremer dan wat je kunt zien in enig ander bekend CMR-materiaal, voegde Cao eraan toe.

    “Je moet alle conventionele voorwaarden schenden om deze verandering te bereiken,” zei Cao.

    Smeltend ijs

    Hij en zijn collega’s, waaronder CU Boulder-studenten Yu Zhang, Yifei Ni en Hengdi Zhao, wilden weten waarom.

    Samen met co-auteur Itamar Kimchi van Georgia Institute of Technology kwamen ze op het idee van lusstromen. Volgens de theorie van het team circuleren ontelbare elektronen te allen tijde rond in hun honingraten, waarbij ze de randen van elke octaëder volgen. Bij afwezigheid van een magnetisch veld, hebben die lusstromen de neiging om wanordelijk te blijven, of in patronen met de klok mee en tegen de klok in te stromen. Het is een beetje zoals auto’s die in beide richtingen tegelijk door een rotonde rijden.

    Die stoornis kan “verkeersopstoppingen” veroorzaken voor elektronen die in het materiaal reizen, zei Cao, waardoor de weerstand toeneemt en de honingraat een isolator wordt.

    Zoals Cao het uitdrukte: “Elektronen houden van orde.”

    De natuurkundige voegde er echter aan toe dat als je een elektrische stroom in het kwantummateriaal laat lopen in de aanwezigheid van een specifiek soort magnetisch veld, de lusstromen slechts in één richting beginnen te circuleren. Anders gezegd, de files verdwijnen. Zodra dat gebeurt, kunnen elektronen door het kwantummateriaal razen, bijna alsof het een metaaldraad is.

    “De interne lusstromen die langs de randen van de octaëders circuleren, zijn buitengewoon gevoelig voor externe stromen,” zei Cao. “Wanneer een externe elektrische stroom een ​​kritische drempel overschrijdt, verstoort en ‘smelt’ het uiteindelijk de lusstromen, wat leidt tot een andere elektronische toestand.”

    Hij merkte op dat in de meeste materialen de omschakeling van de ene elektronische toestand naar de andere bijna onmiddellijk plaatsvindt, of in een tijdsbestek van biljoensten van een seconde. Maar in zijn honingraat kan die transformatie seconden of zelfs langer duren.

    Cao vermoedt dat de hele structuur van de honingraat begint te veranderen, waarbij de bindingen tussen atomen breken en zich hervormen in nieuwe patronen. Dat soort herordenen duurt ongewoon lang, merkte hij op – een beetje zoals wat er gebeurt als ijs in water smelt.

    Cao zei dat het werk een nieuw paradigma biedt voor kwantumtechnologieën. Voorlopig zul je deze honingraat waarschijnlijk niet zien in nieuwe elektronische apparaten. Het schakelgedrag vindt namelijk alleen plaats bij koude temperaturen. Hij en zijn collega’s zijn echter op zoek naar vergelijkbare materialen die hetzelfde doen onder veel gastvrijere omstandigheden.

    “Als we dit in toekomstige apparaten willen gebruiken, hebben we materialen nodig die hetzelfde soort gedrag vertonen bij kamertemperatuur”, zei Cao.

    Nu, dat soort uitvinding zou buzz-waardig kunnen zijn.


    Bron: Daniel Strain, CU Boulder