In de wereld van de materiaalkunde, soms zijn belangrijke ontdekkingen te vinden op onverwachte plaatsen. Terwijl ze werkten aan de soortelijke weerstand van een type delafosiet - PdCoO2 - ontdekten onderzoekers van EPFL's Laboratory of Quantum Materials dat de elektronen in hun monster zich niet helemaal gedroegen zoals verwacht. Wanneer een magnetisch veld werd aangelegd, de elektronen behielden handtekeningen van hun golfachtige aard, die zelfs onder relatief hoge temperaturen kon worden waargenomen en in relatief grote maten verscheen. Deze verrassende resultaten, verkregen in samenwerking met verschillende onderzoeksinstellingen, nuttig zou kunnen zijn, bijvoorbeeld in de zoektocht naar quantum computing. Het onderzoek wordt vandaag gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Wetenschap .

Om de betekenis van deze ontdekking te begrijpen, we moeten onszelf voorstellen op de kleine schaal van atomen. Op die schaal, we zien dat metalen - hoewel we ze normaal gesproken als vrij dicht beschouwen - in feite uit een groot aantal lege ruimtes rond de atomen bestaan. Wanneer elektronen in deze interstitiële ruimten bewegen, ze hebben een tweeledig karakter, zich zowel als deeltjes als als golven gedragen. Meestal worden hun bewegingen in een metaaldraad goed vastgelegd door hun deeltjesachtige aspecten, omdat hun golfachtige karakter veel te zwak is en wordt gemaskeerd door verschillende andere interacties. Alleen onder zeer specifieke laboratoriumomstandigheden, vooral bij zeer lage temperaturen, experimenten van Richard Webb en collega's hadden op beroemde wijze het golfkarakter van elektronen in metalen blootgelegd.

Het bestudeerde monster was PdCoO ₂ , waarvan de elektronische structuur bijna tweedimensionaal en extreem zuiver is, en die wordt gebruikt als katalysator in de chemie. De onderzoekers waren verrast om een ​​nieuw type oscillaties waar te nemen die significante coherentielengten vertoonden wanneer het monster werd onderworpen aan een magnetisch veld. Deze samenhang is belangrijk bij het proberen om kwantumtoestanden te behouden en de omstandigheden waaronder deze plaatsvonden zouden volgens de basisprincipes van de natuurkunde niet mogelijk moeten zijn. In dit geval, ze werden waargenomen bij temperaturen tot 60 Kelvin en op lengteschalen tot 12 micron.

"Het is gigantisch!"

"Dit is echt verrassend, " zegt Philip Moll, die aan het hoofd staat van EPFL's Laboratory of Quantum Materials. "Het is de allereerste keer dat dit kwantumeffect is waargenomen in zo'n groot stuk metaal. Twaalf micrometer lijkt misschien klein, maar voor de afmetingen van een atoom, het is gigantisch. Dit is de lengteschaal van biologisch leven, zoals algen en bacteriën."

De volgende stap zal zijn om te proberen beter te begrijpen hoe dit fenomeen op deze schaal mogelijk is. Maar onderzoekers stellen zich al een schat aan mogelijkheden voor, vooral op het gebied van quantum computing.