De onderzoekers maten het effect bij zeer hoge magneetvelden in grafeen, een recente ontdekte nieuwe vorm van koolstof (één enkele atoomlaag dik). Volgens de onderzoekers maakt de doorbraak kleine apparatuur mogelijk die weerstand extreem nauwkeurig meet, bij makkelijk te behalen temperaturen en magneetveldsterktes. Een artikel van de groep verschijnt op 15 februari 2007 in Science Express, het online zusterblad van Science.

Artist impression van één enkele laag koolstofatomen in grafeen.

Het quantum Hall-effect werd in 1980 ontdekt door de Duitse natuurkundige Klaus von Klitzing; hij kreeg er in 1985 de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor. Het gaat om de quantumversie van een effect dat in 1879 door Edwin Hall werd ontdekt. Die merkte dat een dun plaatje geleider- of halfgeleidermateriaal in een magneetveld, een spanningsverschil opwekt, de zogenaamde Hall-spanning. De grootte hiervan is karakteristiek voor de samenstelling van een materiaal. Wordt het plaatje superdun gemaakt (natuurkundigen spreken dan van een tweedimensionaal elektronengas), dan vertoont de Hall-spanning plateaus. De bijbehorende Hall-weerstand is dan precies 25.812,807 Ohm. Deze waarde kan met een precisie van één op de biljoen gemeten worden. Het quantum Hall-effect leverde zo een nieuwe standaard voor de elektrische weerstand op, die sinds 1990 de von Klitzing constante wordt genoemd.

Hall-effect. Bewegende lading (een stroom elektronen) in een magneetveld voelen een kracht loodrecht op bewegingsrichting én de magneetrichting: de Lorentz-kracht. Het elektrische veld dat daardoor wordt opgewekt levert de Hall-spanning (batterij).

Tot nog toe kon het kwantum Hall-effect slechts bij een paar graden boven het absolute nulpunt (-273 graden Celsius) worden gemeten. Pogingen om het effect ook bij hogere temperaturen te meten, waren tot mislukken gedoemd. Met het nieuwe materiaal grafeen blijkt daar verandering in gekomen te zijn. Grafeen is een dunne laag grafiet (de stift in een potlood) van maar één koolstofatoom dik. Het materiaal heeft unieke eigenschappen, zoals het opwekken van een quantum Hall-effect bij hoge temperaturen. Het is voor het eerst dat in een vaste stof bij kamertemperatuur een voor het ijkwezen relevant verschijnsel gemeten kan worden.

In Science Express beschrijven de onderzoekers hoe hun waarnemingen mogelijk werden door het gebruik van de krachtigste magneetvelden die er in de wereld beschikbaar zijn: de 33 tesla magneet in het High Field Magnet Laboratory (HFML) in Nijmegen en 45 tesla in het National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee. Eén tesla is tien tot twintigduizend keer zo sterk als het aardmagnetisch veld.

De 33 tesla-installatie van het Laboratorium voor Hoge Magneetvelden in Nijmegen.

HFML, Nijmegen

“Het is voor een quantum Hall-fysicus een werkelijk verbazingwekkende ontwikkeling,” zegt mede-onderzoeker Uli Zeitler. “Ons onderzoek ging de afgelopen jaren naar steeds lagere temperaturen en steeds geavanceerde materialen en nu meten we opeens zo’n elementair kwantumeffect gewoon bij kamertemperatuur.” “Grote magneetlaboratoria in de wereld zijn relatief kostbaar en dan is het fijn als de verwachting naar wetenschappelijke doorbraken waar kan worden gemaakt,” voegt een opgetogen Jan Kees Maan, directeur van het HFML toe.