Nanomateriaal theorie beschrijft sterk gecorreleerde elektronen in kwantumstippen

Wetenschappers van 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 Tokio hebben wiskundige formules ontwikkeld die een fysisch fenomeen beschrijven dat plaatsvindt in kwantumstippen en andere materialen met nanogrootte. De formules, gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven, zou kunnen worden toegepast op verder theoretisch onderzoek over 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 voor te komen in veel andere systemen, waaronder kwantumstippen en andere materialen op nanoschaal.

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

Wetenschappers konden uiteindelijk aantonen dat elektronenspins bij zeer lage temperaturen nabij het absolute nulpunt verstrengeld raken met de magnetische onzuiverheden en een wolk vormen die hun magnetisme afschermt. De vorm van de wolk verandert met verdere temperatuurdalingen, wat leidt tot een toename van de weerstand. Ditzelfde effect treedt op wanneer andere externe “verstoringen”, zoals een spanning of een magnetisch veld, op het metaal worden toegepast.

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

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

Hun formules geven aan dat elektronen op twee verschillende manieren interageren binnen deze systemen die bijdragen aan het Kondo-effect. Ten eerste komen twee elektronen met elkaar in botsing,

het vormen van goed gedefinieerde quasi-deeltjes die zich voortplanten binnen de Kondo-wolk. Belangrijker is dat er een interactie optreedt die een drie-lichamenbijdrage wordt genoemd. Dit is wanneer twee elektronen zich 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”, voegt hij eraan toe.

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