In een nieuwe studie hebben wetenschappers van het Indian Institute of Science (IISc) voor het eerst experimenteel het bestaan aangetoond van twee soorten enkele elektronenbellen (FEB’s) in supervloeibaar helium. Deze VBO’s kunnen dienen als een bruikbaar model om te bestuderen hoe de energietoestanden van elektronen en de interacties daartussen in een materiaal de eigenschappen ervan beïnvloeden.
Het team bestond uit Neha Yadav, een voormalig Ph.D. student bij de afdeling Natuurkunde, Prosenjit Sen, universitair hoofddocent bij het Center for Nano Science and Engineering (CeNSE) en Ambarish Ghosh, hoogleraar bij CeNSE. De studie is gepubliceerd in Wetenschappelijke vooruitgang.
Een elektron dat in een supervloeibare vorm van helium wordt geïnjecteerd, creëert een enkele elektronenbubbel (SEB) – een holte die vrij is van heliumatomen en alleen het elektron bevat. De vorm van de bel hangt af van de energietoestand van het elektron. De bel is bijvoorbeeld bolvormig wanneer het elektron zich in de grondtoestand bevindt (1S). Er zijn ook MEB’s – meerdere elektronenbubbels die duizenden elektronen bevatten.
FEB’s daarentegen zijn holtes ter grootte van nanometers in vloeibaar helium die slechts een handvol vrije elektronen bevatten. Het aantal, de toestand en de interacties tussen vrije elektronen bepalen de fysische en chemische eigenschappen van materialen. Het bestuderen van FEB’s zou wetenschappers daarom kunnen helpen beter te begrijpen hoe sommige van deze eigenschappen ontstaan wanneer een paar elektronen in een materiaal met elkaar interageren. Volgens de auteurs kan inzicht in hoe FEB’s worden gevormd ook inzicht geven in de zelfassemblage van zachte materialen, wat belangrijk kan zijn voor de ontwikkeling van kwantummaterialen van de volgende generatie. Tot nu toe hebben wetenschappers het bestaan van VBO’s echter alleen theoretisch voorspeld. “We hebben nu voor het eerst FEB’s experimenteel geobserveerd en begrepen hoe ze zijn gemaakt”, zegt Yadav. “Dit zijn mooie nieuwe objecten met grote implicaties als we ze kunnen maken en vangen.”
Yadav en collega’s bestudeerden de stabiliteit van MEB’s bij nanometergroottes toen ze feb’s toevallig observeerden. Aanvankelijk waren ze zowel opgetogen als sceptisch. “Er waren een groot aantal experimenten nodig voordat we er zeker van waren dat deze objecten inderdaad FEB’s waren. Toen was het zeker een enorm spannend moment”, zegt Ghosh.
De onderzoekers pasten eerst een spanningspuls toe op een wolfraampunt op het oppervlak van vloeibaar helium. Vervolgens genereerden ze een drukgolf op het geladen oppervlak met behulp van een ultrasone transducer. Hierdoor konden ze 8EB’s en 6EB’s maken, twee soorten FEB’s die respectievelijk acht en zes elektronen bevatten. Deze FEB’s bleken stabiel te zijn gedurende ten minste 15 milliseconden (kwantumveranderingen vinden meestal plaats op veel kortere tijdschalen), waardoor onderzoekers ze kunnen vangen en bestuderen.
“FEB’s vormen een interessant systeem dat zowel elektron-elektroninteractie als elektron-oppervlakte-interactie heeft”, legt Yadav uit.
Er zijn verschillende fenomenen die wetenschappers kunnen helpen ontcijferen door FEB’s, zoals turbulente stromingen in superfluïde en viskeuze vloeistoffen, of de warmtestroom in superfluïdum helium. Net zoals bij zeer lage temperaturen stroom zonder weerstand in supergeleidende materialen vloeit, geleidt superfluïd helium ook bij zeer lage temperaturen de warmte efficiënt. Maar defecten in het systeem, wervelingen genaamd, kunnen de thermische geleidbaarheid verlagen. Omdat FEB’s aanwezig zijn in de kern van dergelijke wervels – zoals de auteurs in dit onderzoek hebben gevonden – kunnen ze helpen bij het bestuderen van hoe de wervels op elkaar inwerken, evenals bij de warmte die door het superfluïde helium stroomt.
“In de nabije toekomst willen we graag weten of er andere soorten FEB’s zijn en willen we de mechanismen begrijpen waardoor sommige stabieler zijn dan andere”, zegt Ghosh. “Op de lange termijn willen we deze VBO’s gebruiken als kwantumsimulators, waarvoor men nieuwe soorten meetschema’s moet ontwikkelen.”
Neha Yadav et al, Bellen in supervloeibaar helium met zes en acht elektronen: zacht, kwantum nanomateriaal, Wetenschappelijke vooruitgang (2021). DOI: 10.1126/sciadv.abi7128
Wetenschappelijke vooruitgang
Geleverd door Indian Institute of Science