Echte en namaak-spins
Een bekende quantumeigenschap van elektronen is hun spin. Dit kan vergeleken worden met het rondtollen van die deeltjes. Op deze eigenschap is een verschijnsel als magnetisme gebaseerd. In het geval van de spin van atoomkernen is de MRI-scanner er een toepassing van. In elektrische geleiders bij zeer lage temperaturen leidt spin tot een exotisch verschijnsel dat bekend staat als het Kondo-effect. Natuurkundigen van het Kavli Institute of Nanoscience bij de Technische Universiteit Delft en de Stichting FOM hebben nu in koolstof nanobuizen elektronen tot een namaak-spin weten te krijgen die zich vervolgens keurig aan de formules van het Kondo-effect houden. Het betekent dat ook met een namaak-spin de elektrische eigenschappen van een geleider bij lage temperatuur kunnen veranderen. De onderzoekers rapporteren over hun experimenten in de Nature van 24 maart 2005. Hun onderzoek biedt meer inzicht in het fundamentele gedrag van elektrische geleiding. Dergelijke inzichten zijn nodig om quantumeigenschappen van de materie toe te kunnen passen voor quantumcomputers en quantuminformatieverwerking. Het onderzoek vormt dan ook een van de vertrekpunten voor het werk aan deze onderwerpen in de grote onderzoeksgroep van FOM die momenteel hiervoor in Delft - met inbreng van natuurkundigen uit Leiden - wordt opgebouwd.
Spin
Elementaire deeltjes hebben een eigenschap die natuurkundigen 'spin' noemen. De naam spin doet vermoeden dat deeltjes, zoals elektronen, rondtollen. Des te sneller deze draaibeweging des te meer spin. Volgens fundamentele natuurkundige theorieën mag je dat echter zo niet uitleggen. Deze verklaring is bijvoorbeeld in tegenspraak met de relativiteitstheorie van Einstein. Er bestaat eigenlijk geen klassieke verklaring voor spin. In de quantumtheorie is spin echter geen enkel probleem en volgt het direct uit de fundamentele formules als een eigenschap van alle deeltjes. Ondanks dat het niet helemaal correct is geeft het beeld van rondtollende elektronen wel een aardig inzicht. Bijvoorbeeld, ze kunnen maar op twee manieren tollen; linksom of rechtsom. In spintaal geeft dit een spin-up of een spin-down.
De eigenschap 'spin' is de oorsprong van velerlei allerdaagse fenomenen en toepassingen, uiteenlopend van magneten tot MRI-scans. Er is ook een aantal exotische fenomenen waar alleen natuurkundigen zich druk over maken. Een voorbeeld is het Kondo-effect wat op kan treden in elektrische geleiders bij lage temperaturen. Kondo-verschijnselen zijn al in de vorige eeuw bestudeerd. Ze werden in de jaren '30 van de twintigste eeuw experimenteel ontdekt en in de jaren '60 door de Japanner Jun Kondo verklaard. Die verschijnselen waren gebaseerd op elektronen met echte spins: quantumspins.
Namaak-spin
Is het nu eigenlijk ook mogelijk elektronen te laten tollen en daarbij effecten te meten zoals het Kondo-effect? Ja, zo blijkt uit het onderzoek van Pablo Jarillo-Herrero, Jing Kong, Herre van der Zant, Cees Dekker, Leo Kouwenhoven and Silvano De Franceschi. van het Kavli Institute of NanoScience. Zij hebben elektronen door koolstof nanobuizen gestuurd. Elektronen hebben hierbij de keuze voor een spiraalbeweging die rechtsom of linksom loopt. Als je langs de as door de nanobuis kijkt (dat komt overeen met een projectie op een vlak loodrecht op de as) dan zie je een rechts of links tollende beweging, met andere woorden een namaak-spin.
Meer informatie bij dr. Pablo Jarillo-Herrero of prof.dr.ir. Leo Kouwenhoven, telefoon (015) 278 60 64.