Kondo-effect op de pijnbank

De grote Japanse natuurkundige Jun Kondo gaf in de jaren zestig van de vorige eeuw een theoretische verklaring voor een curieus verschijnsel dat fysici al sinds de jaren dertig bezighield. De weerstand van een metaal hoort af te nemen als je het afkoelt. Er kan zelfs supergeleiding optreden in de buurt van het absolute nulpunt (273 graden Celsius onder nul). Zo niet bij metalen geleiders die zijn vervuild met magnetische elementen, zoals kobaltatomen. Koel ze af, en de elektrische weerstand gaat op een zeker moment juist omhoog, in plaats van omlaag. “Kondo was de eerste die goede formules opstelde voor die weerstandstoename, daarom is het effect naar hem vernoemd”, zegt promovendus Pablo Jarillo Herrero van de Delftse kwantumtransportgroep. Vandaar de naam van het verschijnsel: ‘Kondo-effect’.

Makkelijk te snappen is het fenomeen niet. Het effect wordt veroorzaakt door de spin van de elektronen in het magnetische atoom. Spin komt in twee vormen, spin up en spin down, en valt grof gezegd te omschrijven als de draairichting van een elektron. In een stuk metaal werken de magnetische atomen als een soort schakelaar voor spin. De spin van de elektronen in het kobaltatoom zet de spin van elektronen in de omringende metaalatomen op zijn kop. Daardoor vloeien de elektronen niet meer ongehinderd door het metaal en ontstaat elektrische weerstand.

Gelukkig is het effect sinds enige tijd ook onder gecontroleerde omstandigheden na te bootsen. Jarillo-Herrero werkt met zo’n nagebootste magnetische vervuiling. In plaats van een vervuilend kobaltatoom gebruikt Jarillo-Herrero een koolstof nanobuisje dat is aangesloten op twee elektrodes. Op die manier is het mogelijk het effect in detail te bestuderen. Waarvan akte, want in Nature van vorige maand bevestigde Jarillo-Herrero iets wat natuurkundigen al vermoedden: dat er allerlei soorten Kondo-effecten zijn. Jarillo-Herrero legde de vinger op vier varianten.
Pseudospin

Zo nam Jarillo-Herrero onder meer een bijzondere vorm van het Kondo-effect waar, door bij de elektronen in het nanobuisje een ‘namaakspin’ op te wekken. Deze ‘pseudospin’ is ook een magnetische eigenschap van een elektron. Je kunt die pseudospin zien als de richting waarin het elektron na toevoeging aan een nanobuisje rondvliegt (linksom of rechtsom). Jarillo-Herrero ontdekte dat het Kondo-effect de elektrische geleiding in een nanobuisje onder bepaalde omstandigheden verbetert. “Het Kondo-effect werkt voor elektrische geleiding in koolstof nanobuisjes als een stapsteen in het midden van de rivier”, zegt hij. “Niemand wist nog dat je met pseudospin ditzelfde Kondo-effect kon bereiken.” Wat eens gold als een hinderlijk, vervuilend effect, wordt zodoende juist weer een bondgenoot van de wetenschap.

Van het spelen met elektronspin en het Kondo-effect wordt veel verwacht. Nu al wordt elektronica ontwikkeld waarin de elektronspin wordt gebruikt voor de verwerking van informatie. De ‘nullen’ en ‘enen’ zijn dan vervangen door spin up en spin down. Een naam heeft het prille onderzoeksveld al: spintronica.

Voor natuurkundigen als Jarillo-Herrero is de impact op de fundamentele kennis van materie voorlopig veel belangrijker. Onlangs mocht Jarillo-Herrero op een Japans congres met grootmeester Kondo zelf op de foto. En sinds een presentatie in Los Angeles bij de American Physical Society vliegen de werkaanbiedingen hem om de oren. “Het is een grote eer”, glimlacht hij. “Toch ben ik niet op die aanbiedingen ingegaan. Eerst wil ik mijn experimenten hier afmaken.”

Het Kondo-effect kan opgebouwd zijn uit echte en pseudospins. Een extern magneetveld splitst de rode resonantiepiek in beide richtingen uit in vier nieuwe resonanties, twee voor de echte spin en twee voor de namaakspin.

De grote Japanse natuurkundige Jun Kondo gaf in de jaren zestig van de vorige eeuw een theoretische verklaring voor een curieus verschijnsel dat fysici al sinds de jaren dertig bezighield. De weerstand van een metaal hoort af te nemen als je het afkoelt. Er kan zelfs supergeleiding optreden in de buurt van het absolute nulpunt (273 graden Celsius onder nul). Zo niet bij metalen geleiders die zijn vervuild met magnetische elementen, zoals kobaltatomen. Koel ze af, en de elektrische weerstand gaat op een zeker moment juist omhoog, in plaats van omlaag. “Kondo was de eerste die goede formules opstelde voor die weerstandstoename, daarom is het effect naar hem vernoemd”, zegt promovendus Pablo Jarillo Herrero van de Delftse kwantumtransportgroep. Vandaar de naam van het verschijnsel: ‘Kondo-effect’.

Makkelijk te snappen is het fenomeen niet. Het effect wordt veroorzaakt door de spin van de elektronen in het magnetische atoom. Spin komt in twee vormen, spin up en spin down, en valt grof gezegd te omschrijven als de draairichting van een elektron. In een stuk metaal werken de magnetische atomen als een soort schakelaar voor spin. De spin van de elektronen in het kobaltatoom zet de spin van elektronen in de omringende metaalatomen op zijn kop. Daardoor vloeien de elektronen niet meer ongehinderd door het metaal en ontstaat elektrische weerstand.

Gelukkig is het effect sinds enige tijd ook onder gecontroleerde omstandigheden na te bootsen. Jarillo-Herrero werkt met zo’n nagebootste magnetische vervuiling. In plaats van een vervuilend kobaltatoom gebruikt Jarillo-Herrero een koolstof nanobuisje dat is aangesloten op twee elektrodes. Op die manier is het mogelijk het effect in detail te bestuderen. Waarvan akte, want in Nature van vorige maand bevestigde Jarillo-Herrero iets wat natuurkundigen al vermoedden: dat er allerlei soorten Kondo-effecten zijn. Jarillo-Herrero legde de vinger op vier varianten.
Pseudospin

Zo nam Jarillo-Herrero onder meer een bijzondere vorm van het Kondo-effect waar, door bij de elektronen in het nanobuisje een ‘namaakspin’ op te wekken. Deze ‘pseudospin’ is ook een magnetische eigenschap van een elektron. Je kunt die pseudospin zien als de richting waarin het elektron na toevoeging aan een nanobuisje rondvliegt (linksom of rechtsom). Jarillo-Herrero ontdekte dat het Kondo-effect de elektrische geleiding in een nanobuisje onder bepaalde omstandigheden verbetert. “Het Kondo-effect werkt voor elektrische geleiding in koolstof nanobuisjes als een stapsteen in het midden van de rivier”, zegt hij. “Niemand wist nog dat je met pseudospin ditzelfde Kondo-effect kon bereiken.” Wat eens gold als een hinderlijk, vervuilend effect, wordt zodoende juist weer een bondgenoot van de wetenschap.

Van het spelen met elektronspin en het Kondo-effect wordt veel verwacht. Nu al wordt elektronica ontwikkeld waarin de elektronspin wordt gebruikt voor de verwerking van informatie. De ‘nullen’ en ‘enen’ zijn dan vervangen door spin up en spin down. Een naam heeft het prille onderzoeksveld al: spintronica.

Voor natuurkundigen als Jarillo-Herrero is de impact op de fundamentele kennis van materie voorlopig veel belangrijker. Onlangs mocht Jarillo-Herrero op een Japans congres met grootmeester Kondo zelf op de foto. En sinds een presentatie in Los Angeles bij de American Physical Society vliegen de werkaanbiedingen hem om de oren. “Het is een grote eer”, glimlacht hij. “Toch ben ik niet op die aanbiedingen ingegaan. Eerst wil ik mijn experimenten hier afmaken.”

Het Kondo-effect kan opgebouwd zijn uit echte en pseudospins. Een extern magneetveld splitst de rode resonantiepiek in beide richtingen uit in vier nieuwe resonanties, twee voor de echte spin en twee voor de namaakspin.