Quantumeffect zorgt voor opmerkelijk magnetisch moment
Zet twee supergeleidende materialen in een hoek-vorm tegen elkaar aan, koel ze af tot vlakbij nul Kelvin (minus 273 graden Celsius) en er ontstaat spontaan een magneetveld. Dit terwijl geen van beide materialen zelf magnetisch actief is. Er ontstaat een zogenaamd 'half flux-quantum', een elementair magneetveld dat twee richtingen kan aannemen. Onderzoekers van de Universiteit Twente zijn nu voor het eerst in staat verschillende van deze quanta met elkaar te laten koppelen en ook te manipuleren: ze kunnen het magneetveld lokaal laten omklappen. Zo is het mogelijk om informatie op te slaan, wat perspectieven biedt voor supergeleidende elektronica en wellicht zelfs voor quantumcomputers. Hans Hilgenkamp en zijn collega's publiceren deze opzienbarende resultaten op 6 maart in het blad Nature.
"Je brengt twee niet-magnetische materialen met elkaar in contact. Eigenlijk doe je verder niets, alleen maar afkoelen. En opeens is er een magnetisch veld. En niet één, maar duizenden 'magnetische momenten' die je afzonderlijk kunt waarnemen." Onderzoeker Hans Hilgenkamp kreeg enthousiaste reacties van IBM in New York, waar ze een speciale magnetische microscoop hebben om het effect mee te meten. Een enkel 'half flux-quantum' was al eens waargenomen, maar zoveel tegelijk en ook nog eens keurig geordend, dat is opmerkelijk.
Spontaan gegenereerd
Het bijzondere effect ontstaat doordat een combinatie is gemaakt van een 'hoge temperatuur' en een 'lage temperatuur' supergeleider: de laatste wordt pas supergeleidend bij temperaturen dichtbij het absolute nulpunt, de eerste al bij bijvoorbeeld 93 Kelvin (minus 180 graden Celsius). Beiden zijn supergeleidend, maar het werkingsmechanisme is naar alle waarschijnlijkheid verschillend. Als gevolg daarvan hebben de twee supergeleidende toestanden geheel verschillende quantum-symmetrie eigenschappen. Brengen wetenschappers beide materialen in bepaalde geometrieën met elkaar in contact dan ontstaat een soort conflict. De enige uitweg is het vormen van een magneetveld ter grootte van een half flux-quantum. De combinatie van materialen en de hoekvormige geometrie genereert dus spontaan het magneetveld.
Frustratie-effecten
De Twentse onderzoekers slagen er nu in duizenden van deze halve flux-quanta bij elkaar te plaatsen op een supergeleidende chip. De magnetische momenten gaan elkaar dan beïnvloeden, en zoeken een zekere ordening. Een naburig quantum kiest het liefst een tegengestelde richting, maar heeft ook weer te maken met buren aan de andere kant. Soms verloopt deze ordening harmonieus, soms ontstaan zogenaamde 'frustratie-effecten', waar quanta tegen wil en dank een richting moet kiezen. Het bestuderen hiervan kan fundamenteel inzicht opleveren in de eigenschappen van bepaalde magnetische materialen, waarin vergelijkbare frustratie-effecten op atomaire schaal optreden.
Als het systeem geheel is afgekoeld, dan worden de magnetische richtingen als het ware bevroren. Vervolgens is het mogelijk een nieuwe richting te forceren zonder dat de naburige quanta ook omklappen, en dus informatie te schrijven. Dat is interessant voor supergeleidende elektronica en mogelijk voor toekomstige ontwikkelingen zoals de quantumcomputer. Behalve een 'heel veld vol' halve flux-quanta kunnen de onderzoekers de magnetische momenten ook op een rijtje leggen, door een kartelvormige overgang tussen de supergeleiders te maken, waarbij het hoekje steeds verspringt. Ook denken zij aan nieuwe geometrieën, aan hele kleine structuren en aan andere combinaties van supergeleidende materialen.
Het onderzoek van Hilgenkamp c.s., uitgevoerd in de groep van prof. Horst Rogalla, faculteit Technische Natuurwetenschappen en het MESA+ research instituut van de Universiteit Twente, is gefinancierd door de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie, NWO, de KNAW en de European Science Foundation (PiShift programma).
Meer informatie over het onderzoek is te verkrijgen bij Hans Hilgenkamp, Universiteit Twente, telefoon: (053) 489 28 06.