Koude weerstand van atomen

Nieuws | de redactie
20 oktober 2009 | De atomen die een iPod mogelijk maken herbergen grote verrassingen. Bijvoorbeeld als ze heel koud worden gemaakt.

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 ultrakoudeatomaire gassen radicaal anders dan voor elektrischegeleiders. De wrijvingsweerstand tussen deeltjes met verschillendespin (‘spin drag resistance’) wordt voor gewone geleiders doorafkoeling kleiner. De onderzoekers hebben echter aangetoond datdeze weerstand voor ultrakoude atomaire gassen spectaculair veelgroter is vanwege kwantummechanische veel-deeltjeseffecten. Hij neemt juist toe als het systeem kouderwordt.

Spintransport in uw iPod

Dit werk biedt nieuwe inzichten in de fundamentele aspecten vanlading- en spintransport. Dat laatste speelt met name een rol in dezogenaamde ‘spintronica’, een vakgebied dat onder meer de iPodmogelijk heeft gemaakt. FOM-werkgroepleiders Rembert Duine en HenkStoof publiceerden deze resultaten gisteren in hettoonaangevende tijdschrift Physical Review Letters waar het als’editor’s suggestion’ wordt aangemerkt. Tegelijkertijd verschijnter een Viewpoint commentaar in Physics daarover.

Het manipuleren van elektrische geleiding staat aan de basis vanalle elektronica. Het begrijpen van elektronisch transport is mededaarom een van de belangrijkste onderzoeksdoelen van de fysica vande gecondenseerde materie. Materialen worden aan de hand van hungeleidingseigenschappen gekarakteriseerd: is het een geleider,halfgeleider, of supergeleider? Bovendien geven transportmetingenbelangrijke fysische informatie over het materiaal.

Elektronen hebben een ingebouwd kompasnaaldje, dat zich volledigkwantummechanisch gedraagt, hun zogenaamde ‘spin’. Dit houdt in datelektronen in een geleider in twee verschillende spintoestandenkunnen voorkomen.

Het is mogelijk om de wrijvingsweerstand tussen de tweespincomponenten van het elektron te onderzoeken, de zogenaamde’spin drag resistance’.  Deze weerstand wordt, net als eennormale elektrische weerstand, kleiner bij een lagere temperatuur.Atomen hebben geen elektrische lading maar wel spin en het is dusmogelijk om dezelfde weerstand te bestuderen voor systemen vankoude atomen.

Van theorie naar experiment

De onderzoekers stellen nu voor om, naar aanleiding van huntheoretisch onderzoek, daadwerkelijk een experiment uit te gaanvoeren met een gas van bosonische atomen. In dit experiment wordtslechts één van de spincomponenten van het gas in beweging gezet.Door de onderlinge botsingen van de atomen in het gas die leidentot wrijvingsweerstand, zal uiteindelijk ook de anderespincomponent gaan mee bewegen.

Ondanks het feit dat er geen wanorde en geen onderliggendrooster is in dit systeem, zou een groot deel van de wetten diegelden voor elektronisch transport ook hier van toepassing moetenzijn. De verwachting is dat het gas bijvoorbeeld ook opwarmt, opeen manier die volledige analoog is aan de opwarming vanelektronische systemen onder spanning – denk hierbij bijvoorbeeldaan een gloeilamp die, behalve licht, ook warmte uitstraalt. Dewrijvingsweerstand zelf is echter veel groter dan in eenconventionele geleider, en neemt niet af maar toe met het afkoelenvan het systeem.

De onderzoekers verklaren dit fundamentele verschil doordat deatomen tot de deeltjes-klasse van de bosonen behoren, dat wilzeggen, een heeltallige spin hebben, terwijl elektronen eenhalftallige spin hebben en dus fermionen zijn. Kort samengevatblijkt uit de kwantummechanica dat fermionen ‘asociale’ deeltjeszijn die elkaar mijden en daardoor weinig met elkaar botsen,terwijl bosonen juist ‘sociaal’ zijn, veel botsen, en daardoor veelonderlinge wrijving ondervinden.

Het voorgestelde experiment zou het eerste spintronicaexperiment in het vakgebied van de koude atomen worden, en leidentot beter fundamenteel begrip van ladings- en spintransport. Devoorbereidingen voor dit experiment zijn momenteel in volle gang inde 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 hetviewpoint commentaar via:
http://physics.aps.org/articles/v2/87 


«
Schrijf je in voor onze nieuwsbrief
ScienceGuide is bij wet verplicht je toestemming te vragen voor het gebruik van cookies.
Lees hier over ons cookiebeleid en klik op OK om akkoord te gaan
OK