Eigenschappen van complexe materialen worden vaak bepaald door het samenspel van verschillende elektroneneigenschappen. De TU Wien (Wenen) is er nu in geslaagd deze puinhoop te ontwarren.

Alleen bij extreem lage temperaturen heerst orde. Aan de Technische Universiteit van Wenen, materialen worden afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt, zodat elektronen, die anders willekeurig verschillende staten innemen, bepaalde regelmatigheden vertonen. Maar zelfs het gedrag van zulke extreem koude elektronen is moeilijk te begrijpen, enerzijds omdat de elektronen elkaar sterk beïnvloeden en niet afzonderlijk kunnen worden beschreven, en anderzijds omdat verschillende elektronenkenmerken tegelijkertijd een rol spelen. Echter, het begrip wordt nu gemakkelijker gemaakt door experimenten aan de TU Wenen:het was mogelijk om verschillende kenmerken van de elektronen afzonderlijk van elkaar te beïnvloeden. Nauw met elkaar verweven kwantumverschijnselen kunnen dus individueel worden begrepen. De resultaten zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift PNAS .

Schaakstukken en elektronen

Stel je voor dat we een grote zak schaakstukken hebben die je achter elkaar op een schaakbord legt tot het vol is. Er zijn verschillende manieren om geordende patronen te maken:je kunt altijd afwisselend een wit en een zwart stuk plaatsen. Je kunt ook de kleuren negeren en afwisselend een paard en een toren plaatsen, of bedenk ingewikkelder bestelpatronen die kleur en figuurtype combineren.

Het is vergelijkbaar met elektronen in een vaste stof:zoals in een schaakbord, er zijn regelmatig geregelde plekken waar elektronen kunnen zitten. En zoals schaakstukken, elektronen hebben verschillende eigenschappen die kunnen worden gebruikt om orde te scheppen.

"De eenvoudigste eigenschap van de elektronen is hun lading - het is verantwoordelijk voor de stroom van elektrische stroom. de lading is hetzelfde voor alle elektronen, " zegt prof. Silke Bühler-Paschen van het Institute of Solid State Physics aan de TU Wenen. "Het wordt interessanter als we ook kijken naar de elektronenspin. Voor de spin, er zijn altijd twee verschillende mogelijkheden. Zijn magnetische eigenschappen worden bepaald door de regelmatige rangschikking van elektronenspins in een vast lichaam."

Waar bevindt het elektron zich? De orbitale vrijheidsgraad

Echter, voor gelokaliseerde elektronen is er een andere eigenschap, een andere mate van vrijheid, wat een belangrijke rol speelt:de orbitale vrijheidsgraad. Als een elektron aan een bepaald atoom is gebonden, verschillende ruimtelijke arrangementen zijn mogelijk. De kwantumfysica zorgt voor verschillende geometrische relaties tussen elektron en atoom - en dit zorgt ook voor geordende structuren in de vaste, bijvoorbeeld wanneer veel identieke atomen in een kristal zijn gerangschikt, en elk heeft een elektron dat zich in dezelfde orbitale staat bevindt.

"We hebben een materiaal van palladium onderzocht, silicium en cerium, " zegt Silke Bühler-Paschen. "We richten ons op de elektronen die zich bij het ceriumatoom bevinden en op de geleidingselektronen, die vrij door het kristal kan bewegen." Met behulp van geleidingselektronen, het is mogelijk om de volgorde van de elektronen bij het ceriumatoom te beïnvloeden - zowel hun spinvrijheidsgraad als hun orbitale vrijheidsgraad. "Dit gebeurt door afscherming, " legt Bühler-Paschen uit. "De geleidingselektronen kunnen zowel de spin als de orbitale toestand van de vaste elektronen vrijwel verbergen, wat het Kondo-effect wordt genoemd. Hierdoor is bestellen niet meer mogelijk." Zoals inmiddels is gebleken, de volgorde van deze twee vrijheidsgraden kan bij zeer lage temperaturen afzonderlijk worden in- en uitgeschakeld - met behulp van kleine magnetische veldveranderingen.

"Het feit dat de orde in kwantumsystemen instort of in bepaalde situaties weer verschijnt, is niet nieuw, ", zegt Silke Bühler-Paschen. "Maar hier hebben we een systeem waarin de volgorde afzonderlijk kan worden in- en uitgeschakeld in relatie tot twee verschillende vrijheidsgraden die bij hoge temperaturen nauw met elkaar verweven zijn - en dat is best opmerkelijk."

Deze mogelijkheid zou nu kunnen helpen om bijzonder interessante eigenschappen van complexe materialen te ontdekken. "Er zijn redenen om aan te nemen dat de orbitale vrijheidsgraad ook een belangrijke rol speelt bij het fenomeen van onconventionele supergeleiding, ", zegt Silke Bühler-Paschen. "We hebben nu een nieuw instrument tot onze beschikking om dergelijke technologisch belangrijke effecten beter te begrijpen."