Quantum Hall-effect bij kamertemperatuur
Het quantum Hall-effect, ontdekt in 1980, en sindsdien de ongekend nauwkeurige basis geworden onder de eenheid van elektrische weerstand, kan niet alleen vlakbij het absolute nulpunt worden gemeten, maar ook bij kamertemperatuur. Dat is de verrassende ontdekking van onderzoekers van de Universiteit van Manchester in Engeland, de Columbia Universiteit in New York (VS), het National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee in Florida (VS), het Laboratorium voor Hoge Magneetvelden in Nijmegen en de Stichting FOM. De onderzoekers maten het effect bij zeer hoge magneetvelden in grafeen, een recente ontdekte nieuwe vorm van koolstof (één enkele atoomlaag dik). Volgens de onderzoekers openen de bevindingen de weg naar een compacte weerstandsstandaard die functioneert bij hogere temperaturen en bij magneetvelden die technologisch gemakkelijk toegankelijk zijn. Een artikel van hen verschijnt op 15 februari 2007 in Science Express, het on-line zusterblad van Science.
Het quantum Hall-effect werd in 1980 ontdekt door de Duitse fysicus Klaus von Klitzing; hij kreeg er in 1985 de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor. Het quantum Hall-effect is de quantummechanische versie van een effect dat in 1879 door Edwin Hall werd ontdekt. Hij constateerde dat over een dun plaatje geleider- of halfgeleidermateriaal dat zich in een magneetveld bevindt, een potentiaalverschil tussen de beide uiteinden van het plaatje ontstaat, de zogenaamde Hall-spanning. De grootte hiervan is karakteristiek voor de samenstelling van een materiaal. Wordt het plaatje superdun gemaakt (natuurkundigen spreken dan van een tweedimensionaal elektronengas), dan vertoont de Hall-spanning plateaus. De Hall-weerstand is dan precies 25.812,807 Ohm, de zogeheten constante van Planck, gedeeld door de waarde van de lading van het elektron in het kwadraat. Deze waarde kan met een precisie van één op de biljoen gemeten worden. Het quantum Hall-effect leverde zo een nieuwe standaard voor de elektrische weerstand op, die sinds 1990 de von Klitzing constante wordt genoemd.
Tot nog toe kon het quantum Hall-effect slechts bij een paar graden boven het absolute nulpunt worden gemeten. Pogingen om het effect ook bij hogere temperaturen te meten, waren tot mislukken gedoemd. Met het nieuwe materiaal grafeen blijkt daar verandering in gekomen te zijn. Grafeen is in wezen niets anders dan een dunne potloodstreep. Het materiaal heeft echter unieke eigenschappen, waaronder het bewaard blijven van het quantum Hall-effect ook bij hoge temperaturen, zoals nu blijkt. Het is voor het eerst dat in een vaste stof bij kamertemperatuur een metrologisch relevant verschijnsel gemeten kan worden.
In Science Express beschrijven de onderzoekers hoe hun waarnemingen mogelijk werden door het gebruik van de krachtigste magneetvelden die er in de wereld beschikbaar zijn: de 33 tesla magneet in het High Field Magnet Laboratory (HFML) in Nijmegen en 45 tesla in het National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee. In Nijmegen verrichtten Kostya Novoselov (uit de groep van Andre Geim uit Manchester) en Uli Zeitler van het HFML metingen. In Tallahassee deed de groep van Philip Kim en Horst Stormer (in 1998 winnaar van de Nobelprijs voor de natuurkunde) vergelijkbare metingen. Beide groepen publiceren nu gezamenlijk hun resultaten.
"Het is voor een quantum Hall-fysicus een werkelijk verbazingwekkende ontwikkeling," zegt Uli Zeitler. "Ons onderzoek ging de afgelopen jaren naar steeds lagere temperaturen en steeds geavanceerde materialen en nu meten we opeens zo'n elementair quantumeffect gewoon bij kamertemperatuur." "Grote magneetlaboratoria in de wereld zijn relatief kostbaar en dan is het fijn als de verwachting naar wetenschappelijke doorbraken waar kan worden gemaakt," voegt een opgetogen Jan Kees Maan, directeur van het HFML toe.
Meer informatie bij dr. Uli Zeitler, telefoon (024) 365 30 61 of prof.dr.ir. Jan Kees Maan, telefoon (024) 365 34 22.
Meer op www.hfml.ru.nl.
Het HFML is onderdeel van het Institute for Molecules and Materials van de Radboud Universiteit Nijmegen.
Het artikel 'Room temperature quantum Hall effect in graphene', auteurs Kostya Novoselov, Zhigang Jiang, Yuanbo Zhang, Sergei Morozov, Horst Stormer, Uli Zeitler, Jan Kees Maan, Greg Boebinger, Philip Kim en Andre Geim verschijnt on-line in Science Express op 15 februari 2007.