Exotisch effect aan oppervlak van gewoon metaal
Onderzoekers van het NSRIM-instituut van de Katholieke Universiteit Nijmegen en van de Stichting FOM hebben een exotisch effect ontdekt aan het oppervlak van chroom. Het effect staat bekend als het exotisch Kondo-effect en was tot nog toe alleen bekend bij al evenzeer exotische materialen. Dat het kennelijk ook voorkomt bij zo'n gewoon en in technologie veel gebruikt metaal als chroom, is een grote verrassing. De consequenties van deze ontdekking zijn nog niet te overzien, zegt onderzoeksleider prof.dr. Herman van Kempen. Een artikel over deze ontdekking van hem en vier andere onderzoekers uit Nijmegen verschijnt vandaag in het wetenschappelijke weekblad Nature.
In de jaren '30 van de twintigste eeuw ontdekten G.J. van den Berg en collega's in het Kamerlingh Onnes Laboratorium van de Leidse universiteit dat de elektrische weerstand van sommige metalen sterk toeneemt beneden een bepaalde temperatuur. Kamerlingh Onnes zelf had overigens in het begin van de eeuw een omgekeerd effect ontdekt: sommige metalen verliezen beneden een bepaalde temperatuur hun elektrische weerstand. Dat is supergeleiding. Pas in 1964 lukte het de Japanse natuurkundige Jun Kondo de waarnemingen van Van den Berg en collega's theoretisch goed te verklaren. Het effect is sindsdien naar hem vernoemt.
Alle deeltjes tellen
Wat er op de schaal van atomen aan het oppervlak van vaste stoffen gebeurt, wordt bepaald door het gedrag van het allerbuitenste elektron van elk atoom. Nu bestaat zelfs het oppervlak van een zeer klein stukje vaste stof al uit miljarden en miljarden atomen. Er zijn dus ook van die enorme hoeveelheden elektronen in het spel. Al die elektronen hebben invloed op elkaar. Het is al vrijwel onmogelijk om die onderlinge invloed voor slechts drie deeltjes uit te rekenen. Natuurkundigen gebruiken daarom een vaste truc, die in veel gevallen goed werkt: ze doen net alsof elk elektron op zichzelf staat en onafhankelijk door de gelijkmatige omringende 'zee' van de andere elektronen beweegt. Een elektron heeft niet alleen, zoals bekend, een kleine negatieve elektrische lading. Het gedraagt zich ook als een soort om zijn as tollend minimagneetje; die eigenschap heet spin. Een elektron kan of linksom tollen of rechtsom. De as laat zich beïnvloeden door een uitwendig magneetveld, net zoals de naald van een kompas zich in een aangelegd magneetveld richt.
Kondo was de eerste die er in slaagde voor bovengenoemde weerstandsprobleem toch alle wisselwerkingen tussen de elektronen in rekeningen te brengen. Wanneer hij aannam dat de vaste stof in kwestie niet perfect zuiver was (en in de praktijk is dat ook nooit zo), maar kleine hoeveelheden magnetische atomen van een andere soort bevatte, dan bleken de waarnemingen van Van den Berg goed te begrijpen. De kleine verstoring van de ideale situatie door die kleine hoeveelheden magnetische onzuiverheden is het Kondo-effect. Deze onzuiverheden beïnvloeden de spins van de elektronen. Die magnetische beïnvloeding, zo voorspelden A. Abrikosov en H. Suhl onafhankelijk van elkaar , verraden zich door wat natuurkundigen een resonantie noemen, een soort rimpels in de zee van elektronen. Die resonantie wordt zichtbaar in elektrisch geleidende systemen van zeer kleine afmetingen bij zeer lage temperatuur. Die zogeheten mesoscopische systemen kunnen pas sinds een kleine twintig jaar door natuurkundigen worden gemaakt en bestudeerd.
Het Kondo-effect werd lange tijd gezien als een randverschijnsel in de fysica van vaste stoffen. Later gevonden varianten op het effect waar het niet meer om de elektronenspin draait, werden zelfs als volstrekt exotisch beschouwd.
Rimpels in de elektronenzee
De onderzoekers in Nijmegen - de experimentatoren O.Yu. Kolesnychenko, R. de Kort en H. van Kempen en de theoretici A.I. Lichtenstein en M.I. Katsnelson - hebben nu voor het eerst dat exotisch Kondo-effect waargenomen aan het oppervlak van een chroomkristal en het effect in dit geval ook verklaard. Met behulp van een zogeheten scanning tunneling microscoop kunnen natuurkundigen tegenwoordig op de schaal van afzonderlijke atomen minieme spanningsverschillen meten. Met de enorme expertise die men in Nijmegen met scanning tunneling microscopie heeft, wist men de resonanties zichtbaar te maken die afzonderlijke magnetische atomen op het chroomoppervlak teweeg brengen: het exotisch Kondo-effect in beeld! Dit werd gedaan door één chroomatoom weg te nemen en dan het lokaal ontbreken van de Kondo-resonantie waar te nemen (dus een soort 'voetafdruk'). De theoretici wisten het effect vervolgens wiskundig zo netjes te formuleren dat de waarnemingen er volledig mee verklaard konden worden.
Consequenties?
Volgens Van Kempen zijn de consequenties nog niet te overzien. De waarnemingen zijn echter op z'n minst spectaculair te noemen, vindt hij. Het boeiende zit hem ook in het feit dat chroom een technisch veelgebruikt materiaal is. Wegens zijn bijzondere magnetische eigenschappen wordt chroom bijvoorbeeld gebruikt in gevoelige sensoren in de uitleeskoppen van harde-schijflezers of in de sensoren in antiblokkeersystemen van auto's. Verder geldt chroom als een goede kandidaat voor gebruik in de spintronica, een wereldwijd sterk in opmars verkerend vakgebied. Elektronica en computers maken daarin gebruik van de spin van elektronen, wat bijvoorbeeld kan leiden tot aanzienlijk grotere opslagcapaciteit van computergeheugens of veel geraffineerdere micro-elektronica dan nu het geval is.
Wetenschappelijk leert de Nijmeegse ontdekking in ieder geval dat voor een goede beschrijving van processen aan oppervlakken van vaste stoffen de wisselwerking tussen alle elektronen in rekening genomen moet worden. Als onderzoekers dat gaan doen, zullen misschien wel veel meer metalen het exotisch Kondo-effect laten zien. "Dan," zegt Van Kempen, "ontdekken we echt nieuwe eigenschappen. Ook, dankzij het betere begrip, behoort het maken van nieuwe materialen met heel nuttige magnetische eigenschappen tot de mogelijkheden".
Meer informatie: prof.dr. H. van Kempen, telefoon (024) 365 34 99.