Experiment toont hoe atomen elkaar beïnvloeden

Materiaaleigenschappen zoals elektrische geleiding, magnetisme en supergeleiding (elektrische geleiding zonder weerstand) komen voort uit de reactie tussen de atomen. Vergelijk het met een koor: één mannetje kan aardig zingen, maar zet honderd zangers (m/v) bij elkaar en opeens klinkt het meespelende slavenkoor van Giuseppe Verdi. Het is een fundamentele vraag in de natuurkunde hoe macroscopische materiaaleigenschappen ontstaan uit atomaire interacties. Met het verslag van een opmerkelijk experiment lichtte de onderzoeksgroep van prof.dr. Sander Otte (TNW) een tip van de sluier op. Het leverde ze een publicatie op in het gezaghebbende tijdschrift Science.

Voor het experiment werkte promovendus Lukas Veldman, hoofdauteur van het Science-artikel, met een tunnelmicroscoop. Er is geen ander instrument dat zo’n scherpe punt heeft dat het een enkel atoom kan aanraken. Met de tip van de microscoop stuurde Veldman stroomstootjes door een titaniumatoom. Daardoor raakte de magnetisch spin van slag.

Op en neer
Een magnetische spin heeft twee polariteiten: op of neer. Door zo’n stroompuls verandert de polariteit van de spin, maar na verloop van tijd valt die weer terug. Weinig spannend dus. Maar zet er een ander titaniumatoom in de buurt, ongeveer acht atoomdiameters verwijderd, en de onderzoekers zien het volgende patroon optreden: op, neer, op, neer, op, en zo verder.

Het was de eerste keer dat wisselwerking tussen atomen zo direct werd aangetoond

Een geïsoleerde atoomspin vertoont een langzaam verval, maar met een ander atoom in de buurt komt de atoomspin in trilling. Hoe kleiner de afstand, hoe groter de invloed en hoe hoger de frequentie.

Het was de eerste keer dat wisselwerking tussen atomen zo direct werd aangetoond, reden waarom de onderzoekers hun resultaten in Science konden publiceren. Voor dit onderzoek werkte de groep van prof.dr. Sander Otte (faculteit TNW), Veldmans promotor, samen met de RWTH Aachen universiteit en het Research Center Jülich.

“De wisselwerking tussen de atomen verloopt volgens de wetten van de quantummechanica”, legt Otte uit aan de telefoon. “Dat wordt pas echt interessant met drie atomen of meer. Het aantal mogelijke quantumtoestanden neemt exponentieel toe en vanaf een systeem met honderden atomen valt dat niet meer te berekenen.”

Benadering van twee kanten
Toch weet Otte dat materiaaleigenschappen, zoals de felbegeerde supergeleiding (elektrische geleiding met weerstand nul), het resultaat zijn van het ensemble aan interacties tussen atomen. De vraag is: valt de kloof tussen quantumgedrag en materiaaleigenschappen ooit te overbruggen?

Otte heeft zijn hoop gevestigd op een benadering van twee kanten. Collega’s bestuderen supergeleiding met een tunnelmicroscoop in een steeds kleiner stukje materiaal: de zogenoemde top-down benadering. Tegelijkertijd werkt Otten met zijn groep aan de bottom-up benadering. Ze zijn van start gegaan met de interactie tussen twee atomen, en breiden nu verder uit naar drie, vier en uiteindelijk tientallen atomen. Het is een logische veronderstelling dat beide benaderingen elkaar op een gegeven moment zullen tegenkomen.

Creating matter atom by atom is het onderzoeksmotto van het Sander Otte Lab. Twee jaar geleden ontving Otte een NWO Vici-beurs.

• Lukas M. Veldman, Laëtitia Farinacci, Rasa Rejali, Rik Broekhoven, Jérémie Gobeil, David Coffey, Markus Ternes, Alexander F. Otte: Free coherent evolution of a coupled spin system initialized by electron scattering, Science, 27 May 2021