Elektronen als golfverschijnsel afgebeeld
Dit is een gezamenlijk persbericht van de Technische Universiteit Delft en de Stichting FOM
Onderzoekers van het instituut DIMES van de Technische Universiteit Delft en de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) hebben afbeeldingen gemaakt van het quantummechanische gedrag van elektronen in nanobuisjes van koolstof. Hoewel de quantummechanica in het moderne natuurkundige onderzoek van allesoverheersend belang is, zijn er niet veel experimenten waarin effecten van de quantummechanica rechtstreeks te zien zijn. De onderzoekers publiceren hun bevindingen op 1 januari aanstaande in het Amerikaanse weekblad Science.
Volgens de quantummechanica kunnen elementaire deeltjes zich ook voordoen als een golfverschijnsel. Het deeltje bevindt zich dan niet op één plaats, maar is in de ruimte uitgesmeerd als een waarschijnlijkheidsverdeling, die wiskundig te beschrijven is als een golf. Elektronen zijn deeltjes waarvoor dit opgaat.
Dit verschijnsel blijkt nu direct waar te nemen in nanobuizen van koolstof. Deze buizen zijn familie van de bekende buckyballen. Dat zijn voetbalvormige moleculen die bestaan uit zestig koolstofatomen. De koolstofbuizen zijn langgerekte cilindervormige moleculen, waarvan de wand is opgebouwd uit een netwerk van koolstofatomen. De buisjes zijn rond één miljoenste millimeter (een nanometer) in doorsnede en een duizendste tot een tiende millimeter lang. Nanobuisjes hebben spectaculaire mechanische en elektrische eigenschappen. Ze kunnen bijvoorbeeld metaalachtig gedrag vertonen en geleiden elektriciteit; er worden dan elektronen verplaatst.
Om quantummechanische effecten werkelijk te meten, moet je volgens de leerboeken uit de natuurkunde de elektronen opsluiten in een heel kleine ruimte. De onderzoekers in Delft hebben dit gedaan door koolstofbuisjes in stukjes van 30 nanometer te knippen. Een elektrongolf in zo'n kort buisje zal weerkaatsen aan de uiteinden. Een golf die langs het buisje loopt 'botst' dus voortdurend aan tegen de golf die weerkaatst is en dus in de tegenovergestelde richting loopt. Deze voortdurende botsingen leiden tot staande golven die alleen bij heel bepaalde energieën kunnen voorkomen. Dit principe vormt de basis voor de quantummechanica.
De onderzoekers hebben de staande golven daadwerkelijk kunnen meten met behulp van een zogeheten scanning tunneling microscoop (STM). Zo'n STM bestaat in wezen uit een naaldje dat eindigt in een punt van maar één atoom. Als je nu de STM onder vacuüm heel dicht over het oppervlak beweegt, kunnen elektronen van het buisje naar de STM overspringen. Er loopt dan een heel zwak stroompje. De onderzoekers bewogen hun STM in heel kleine stapjes (van 0,02 nanometer) langs het koolstofbuisje. Als de STM elektronen aantreft in de top van de staande golf, dan gaat er een groter stroompje lopen dan wanneer de microscoop elektronen op een andere positie aantreft. Deze stroommetingen uitgezet langs de lengte-as van het koolstofbuisje leveren fraaie regelmatige golfpatronen op. Die patronen hebben verschillende golflengtes, die overeenkomen met verschillende energieniveaus waarin de elektronen in het koolstofbuisje kunnen verkeren.
Het experiment laat op fraaie manier rechtstreeks het bestaan van de quantummechanische golffunctie van elektronen zien. Ook levert het meer inzicht op in het elektrisch gedrag van koolstofbuisjes. Er bestaat wereldwijd zeer veel belangstelling voor deze buisjes, bijvoorbeeld als modelsysteem voor moleculaire elektrische schakelingen. De groep van FOM- en TUD-onderzoekers in Delft loopt mee voorop in dit onderzoek. In 1998 wist de groep drie artikelen in Nature gepubliceerd te krijgen en het jaar 1999 begint ook meteen al goed.