Ultrakoude gassen
Theoretisch natuurkundigen van FOM en de UU hebben dit ontdekt.
Hun publicatie trekt grote belangstelling in de wereld van de
'spintronica' en het onderzoek naar atomaire gassen.
Een specifieke vorm van weerstand gedragt zich voor ultrakoude
atomaire gassen radicaal anders dan voor elektrische
geleiders. De wrijvingsweerstand tussen deeltjes met verschillende
spin ('spin drag resistance') wordt voor gewone geleiders door
afkoeling kleiner. De onderzoekers hebben echter aangetoond dat
deze weerstand voor ultrakoude atomaire gassen spectaculair veel
groter is vanwege kwantummechanische veel-deeltjes
effecten. Hij neemt juist toe als het systeem kouder
wordt.
Spintransport in uw iPod
Dit werk biedt nieuwe inzichten in de fundamentele aspecten van
lading- en spintransport. Dat laatste speelt met name een rol in de
zogenaamde 'spintronica', een vakgebied dat onder meer de iPod
mogelijk heeft gemaakt. FOM-werkgroepleiders Rembert Duine en Henk
Stoof publiceerden deze resultaten gisteren in het
toonaangevende tijdschrift Physical Review Letters waar het als
'editor's suggestion' wordt aangemerkt. Tegelijkertijd verschijnt
er een Viewpoint commentaar in Physics daarover.
Het manipuleren van elektrische geleiding staat aan de basis van
alle elektronica. Het begrijpen van elektronisch transport is mede
daarom een van de belangrijkste onderzoeksdoelen van de fysica van
de gecondenseerde materie. Materialen worden aan de hand van hun
geleidingseigenschappen gekarakteriseerd: is het een geleider,
halfgeleider, of supergeleider? Bovendien geven transportmetingen
belangrijke fysische informatie over het materiaal.
Elektronen hebben een ingebouwd kompasnaaldje, dat zich volledig
kwantummechanisch gedraagt, hun zogenaamde 'spin'. Dit houdt in dat
elektronen in een geleider in twee verschillende spintoestanden
kunnen voorkomen.
Het is mogelijk om de wrijvingsweerstand tussen de twee
spincomponenten van het elektron te onderzoeken, de zogenaamde
'spin drag resistance'. Deze weerstand wordt, net als een
normale elektrische weerstand, kleiner bij een lagere temperatuur.
Atomen hebben geen elektrische lading maar wel spin en het is dus
mogelijk om dezelfde weerstand te bestuderen voor systemen van
koude atomen.
Van theorie naar experiment
De onderzoekers stellen nu voor om, naar aanleiding van hun
theoretisch onderzoek, daadwerkelijk een experiment uit te gaan
voeren met een gas van bosonische atomen. In dit experiment wordt
slechts één van de spincomponenten van het gas in beweging gezet.
Door de onderlinge botsingen van de atomen in het gas die leiden
tot wrijvingsweerstand, zal uiteindelijk ook de andere
spincomponent gaan mee bewegen.
Ondanks het feit dat er geen wanorde en geen onderliggend
rooster is in dit systeem, zou een groot deel van de wetten die
gelden voor elektronisch transport ook hier van toepassing moeten
zijn. De verwachting is dat het gas bijvoorbeeld ook opwarmt, op
een manier die volledige analoog is aan de opwarming van
elektronische systemen onder spanning - denk hierbij bijvoorbeeld
aan een gloeilamp die, behalve licht, ook warmte uitstraalt. De
wrijvingsweerstand zelf is echter veel groter dan in een
conventionele geleider, en neemt niet af maar toe met het afkoelen
van het systeem.
De onderzoekers verklaren dit fundamentele verschil doordat de
atomen tot de deeltjes-klasse van de bosonen behoren, dat wil
zeggen, een heeltallige spin hebben, terwijl elektronen een
halftallige spin hebben en dus fermionen zijn. Kort samengevat
blijkt uit de kwantummechanica dat fermionen 'asociale' deeltjes
zijn die elkaar mijden en daardoor weinig met elkaar botsen,
terwijl bosonen juist 'sociaal' zijn, veel botsen, en daardoor veel
onderlinge wrijving ondervinden.
Het voorgestelde experiment zou het eerste spintronica
experiment in het vakgebied van de koude atomen worden, en leiden
tot beter fundamenteel begrip van ladings- en spintransport. De
voorbereidingen voor dit experiment zijn momenteel in volle gang in
de FOM-werkgroep van Peter van der Straten aan de UU.
Spin Drag in Noncondensed Bose Gases, R.A. Duine and H.T.C.
Stoof.
Per 19 oktober 2009 online op Physical Review Letters en het
viewpoint commentaar via:
http://physics.aps.org/articles/v2/87