Wetenschappers van de Osaka City University hebben wiskundige formules ontwikkeld om de stroom en fluctuaties van sterk gecorreleerde elektronen in kwantumstippen te beschrijven. Hun theoretische voorspellingen zouden binnenkort experimenteel kunnen worden getest.

Theoretisch natuurkundigen Yoshimichi Teratani en Akira Oguri van de Osaka City University, en Rui Sakano van de Universiteit van Tokyo hebben wiskundige formules ontwikkeld die een fysiek fenomeen beschrijven dat plaatsvindt in kwantumstippen en andere materialen van nanoformaat. De formules, gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , zou kunnen worden toegepast op verder theoretisch onderzoek naar de fysica van kwantumstippen, ultrakoude atoomgassen, en quarks.

Het gaat om het Kondo-effect. Dit effect werd voor het eerst beschreven in 1964 door de Japanse theoretisch natuurkundige Jun Kondo in sommige magnetische materialen, maar lijkt nu in veel andere systemen te gebeuren, inclusief kwantumdots en andere materialen op nanoschaal.

Normaal gesproken, elektrische weerstand daalt in metalen als de temperatuur daalt. Maar in metalen die magnetische onzuiverheden bevatten, dit gebeurt alleen tot een kritische temperatuur, waarboven de weerstand stijgt met dalende temperaturen.

Wetenschappers waren uiteindelijk in staat om aan te tonen dat, bij zeer lage temperaturen nabij het absolute nulpunt, elektronenspins raken verstrikt in de magnetische onzuiverheden, een wolk vormen die hun magnetisme afschermt. De vorm van de wolk verandert met verdere temperatuurdalingen, waardoor de weerstand stijgt. Hetzelfde effect treedt op wanneer andere externe "storingen, " zoals een spanning of magnetisch veld, op het metaal worden aangebracht.

Teratani, Sakano en Oguri wilden wiskundige formules ontwikkelen om de evolutie van deze wolk in kwantumstippen en andere materialen op nanoschaal te beschrijven. wat geen gemakkelijke opgave is.

Om zo'n complex kwantumsysteem te beschrijven, ze begonnen met een systeem op het absolute nulpunt waar een goed ingeburgerd theoretisch model, namelijk Fermi vloeistof theorie, voor interagerende elektronen is van toepassing. Vervolgens voegden ze een 'correctie' toe die een ander aspect van het systeem beschrijft tegen externe verstoringen. Met behulp van deze techniek, ze schreven formules die elektrische stroom en de fluctuatie ervan door kwantumstippen beschrijven.

Hun formules geven aan dat elektronen binnen deze systemen op twee verschillende manieren interageren die bijdragen aan het Kondo-effect. Eerst, twee elektronen botsen met elkaar,

goed gedefinieerde quasideeltjes vormen die zich voortplanten in de Kondo-cloud. Belangrijker, er vindt een interactie plaats die een bijdrage van drie lichamen wordt genoemd. Dit is wanneer twee elektronen combineren in de aanwezigheid van een derde elektron, waardoor een energieverschuiving van quasideeltjes ontstaat.

"De voorspellingen van de formules kunnen binnenkort experimenteel worden onderzocht, " zegt Oguri. "Studies in de trant van dit onderzoek zijn nog maar net begonnen, " hij voegt toe.

De formules kunnen ook worden uitgebreid om andere kwantumverschijnselen te begrijpen, zoals de beweging van kwantumdeeltjes door kwantumstippen die zijn verbonden met supergeleiders. Quantum dots kunnen een sleutel zijn voor het realiseren van kwantuminformatietechnologieën, zoals kwantumcomputers en kwantumcommunicatie.