Weblocatie: http://www.fom.nl/live/nieuws/artikel.pag?objectnumber=104260
20 oktober 2009, 2009/42

Koude atomen bieden weerstand

Theoretisch natuurkundigen van de Stichting FOM en de Universiteit Utrecht hebben ontdekt dat een specifieke vorm van weerstand zich voor ultrakoude atomaire gassen radicaal anders gedraagt dan voor elektrische geleiders. De wrijvingsweerstand tussen deeltjes met verschillende spin ('spin drag resistance') wordt voor gewone geleiders door afkoeling kleiner. De onderzoekers hebben echter aangetoond dat deze weerstand voor ultrakoude atomaire gassen spectaculair veel groter is vanwege kwantummechanische veel-deeltjes effecten, en zelfs juist toeneemt als het systeem kouder wordt. Dit werk biedt nieuwe inzichten in de fundamentele aspecten van lading- en spintransport. Dat laatste speelt met name een rol in de zogenaamde 'spintronica', een vakgebied dat onder meer de Ipod mogelijk heeft gemaakt. FOM-werkgroepleiders Rembert Duine en Henk Stoof publiceren hun resultaten op 19 oktober online in het toonaangevende tijdschrift Physical Review Letters waar het als 'editor's suggestion' wordt aangemerkt. Tegelijkertijd verschijnt er een Viewpoint commentaar in Physics over dit werk.
Figuur 1. 'Spin drag' in koude atomen
vergroten Figuur 1. 'Spin drag' in koude atomen
Een tijdsafhankelijk magneetveld (kleine blauwe pijlen) zet een van de twee spin componenten van de atomen (rood bolletje met pijl) in beweging rond een torus (zwarte lijn). De andere spin component (rood bolletje zonder pijl) wordt in beweging gezet door botsingen hetgeen leidt tot wrijvingsweerstand.

Het manipuleren van elektrische geleiding staat aan de basis van alle elektronica. Het begrijpen van elektronisch transport is mede daarom een van de belangrijkste onderzoeksdoelen van de fysica van de gecondenseerde materie. Materialen worden aan de hand van hun geleidingseigenschappen gekarakteriseerd: is het een geleider, halfgeleider, of supergeleider? Bovendien geven transportmetingen belangrijke fysische informatie over het materiaal. 

Elektronen hebben een ingebouwd kompasnaaldje, dat zich volledig kwantummechanisch gedraagt, hun zogenaamde 'spin'. Dit houdt in dat elektronen in een geleider in twee verschillende spintoestanden kunnen voorkomen. Het is mogelijk om de wrijvingsweerstand tussen de twee spincomponenten van het elektron te onderzoeken, de zogenaamde 'spin drag resistance'. Deze weerstand wordt, net als een normale elektrische weerstand, kleiner bij een lagere temperatuur. Atomen hebben geen elektrische lading maar wel spin, en het is dus mogelijk om dezelfde weerstand te bestuderen voor systemen van koude atomen. 

Van theorie naar experiment
De onderzoekers stellen nu voor om, naar aanleiding van hun theoretisch onderzoek, daadwerkelijk een experiment uit te gaan voeren met een gas van bosonische atomen (figuur 1). In dit experiment wordt slechts één van de spincomponenten van het gas in beweging gezet. Door de onderlinge botsingen van de atomen in het gas die leiden tot wrijvingsweerstand, zal uiteindelijk ook de andere spincomponent gaan mee bewegen. Ondanks het feit dat er geen wanorde en geen onderliggend rooster is in dit systeem, zou een groot deel van de wetten die gelden voor elektronisch transport ook hier van toepassing moeten zijn. De verwachting is dat het gas bijvoorbeeld ook opwarmt, op een manier die volledige analoog is aan de opwarming van elektronische systemen onder spanning – denk hierbij bijvoorbeeld aan een gloeilamp die, behalve licht, ook warmte uitstraalt. De wrijvingsweerstand zelf is echter veel groter dan in een conventionele geleider, en neemt niet af maar toe met het afkoelen van het systeem. De onderzoekers verklaren dit fundamentele verschil doordat de atomen tot de deeltjes-klasse van de bosonen behoren, dat wil zeggen, een heeltallige spin hebben, terwijl elektronen een halftallige spin hebben en dus fermionen zijn. Kort samengevat blijkt uit de kwantummechanica dat fermionen 'asociale' deeltjes zijn die elkaar mijden en daardoor weinig met elkaar botsen, terwijl bosonen juist 'sociaal' zijn, veel botsen, en daardoor veel onderlinge wrijving ondervinden. Het voorgestelde experiment zou het eerste spintronica experiment in het vakgebied van de koude atomen worden, en leiden tot beter fundamenteel begrip van ladings- en spintransport. De voorbereidingen voor dit experiment zijn momenteel in volle gang in de FOM-werkgroep van Peter van der Straten aan de Universiteit Utrecht.

Referentie
Spin Drag in Noncondensed Bose Gases, R.A. Duine and H.T.C. Stoof.
Per 19 oktober 2009 online op Physical Review Letters en het viewpoint commentaar via:
http://physics.aps.org/articles/v2/87.


Informatie
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met:
Rembert Duine, telefoon (030) 253 22 89 en Henk Stoof, telefoon (030) 253 18 71.