Je leest:

Nieuwe toestand van de materie: quantum kritisch

Nieuwe toestand van de materie: quantum kritisch

Groningse en Leidse natuurkundigen hebben voor het eerst het bestaan van een nieuwe fundamentele toestand van de materie aangetoond. Uit metingen aan een hoge-temperatuur supergeleider blijkt dat in dit materiaal de zogenaamde quantum-kritische toestand kan voorkomen.

Nu deze toestand werkelijk blijkt te bestaan is het mogelijk met experimenten de theorie te toetsen en vast te stellen of de hooggespannen verwachtingen zijn in te lossen. De fysici hopen onder andere dichter bij een verklaring van supergeleiding bij hoge temperatuur te komen en de quantum-informatietheorie verder te ontwikkelen. De natuurkundigen publiceerden hun resultaten vorige week in het tijdschrift Nature.

Quantum-materie

Alledaagse vormen van materie, zoals gassen, vloeistoffen en vaste stoffen, hebben op het eerste gezicht weinig van doen met de eigenaardigheden van de quantumfysica. Weliswaar is deze materie samengesteld uit quantum-mechanische bouwstenen (atomen, elektronen), maar hun quantummechanisch gedrag is alleen maar zichbaar op de atomaire schaal. In de 20e eeuw werd het duidelijk dat er wel degelijk macroscopische vormen van materie bestaan waar het quantumkarakter domineert: de supervloeistoffen (zoals in helium en metallische supergeleiders) en de Fermivloeistoffen (lage-temperatuur toestand van elektronen in normale metalen). Beide soorten materialen vertonen eigenaardige gedragingen die direct hun quantumkarakter weerspiegelen.

In de laatste tien jaar is er in de natuurkunde toenemende belangstelling voor het mogelijke bestaan van een heel ander soort macroscopische quantumtoestand van materie: de quantum-kritische toestand. Het unieke van deze toestand is dat de quantumgedragingen precies hetzelfde zijn, ongeacht de schaal waarop het systeem waargenomen wordt. Deze beginnen op de atomaire schaal en zijn, aangekomen op menselijke schaal, niet wezenlijk veranderd.

Deze zogenaamde schaalinvariantie duikt op bij zogenaamde quantum-faseovergangen. Deze lijken op normale fase-overgangen, zoals het koken van water. Ze zijn echter niet het gevolg van temperatuurverandering maar van variatie van de sterkte van de quantumfluctuaties.

Een quantum-faseovergang kan bijvoorbeeld optreden bij het absolute nulpunt, terwijl men de sterkte van de quantumfluctuates regelt met een externe ‘regelknop’ (bijvoorbeeld druk, magneetveld of chemische samenstelling). Kleine veranderingen van de stand van de externe regelknop kunnen daarbij tot dramatische veranderingen leiden van de quantummechanische energieniveaus van een brok materie, en dus van de manier waarop het zich aan ons manifesteert. Een bijzondere situatie treedt op bij een quantum-faseovergang van een ‘vastere’ vorm naar een ‘vloeibaarder’ vorm van de quantummaterie. Precies bij de stand van de externe regelknop waarbij deze overgang optreedt, is de stof quantum-kritisch. De theorie voorspelt dat de quantummaterie op dat punt schaalinvariantie vertoont: de materie ziet er op iedere tijd- of ruimteschaal bekeken hetzelfde uit.

Fractale Mandelbrot-figuur.

Schaalinvariantie treedt ook bij de fraaie fractale landschappen van Benoit Mandelbrot, waar verder ‘inzoomen’ op een tekening steeds dezelfde structuur aan het licht brengt. Maar hoe laat je schaalinvariantie zien in eigenschappen van quantummaterie?. De Groningse en Leidse natuurkundigen deden dat door aan te tonen dat de fase van de optische geleidbaarheid in een hoge-temperatuur supergeleider onafhankelijk wordt van de golflengte van het licht. Onder ‘gewone’ omstandigheden wordt de fase kleiner bij toenemende golflengte, bij de quantumkritische toestand is dat niet het geval. Het Gronings/Leidse onderzoek werd deels gefinancierd door de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).

Hoewel quantum-kritische toestanden sterk in de aandacht staan van de fysische wereld, ontbrak tot voor kort een overtuigend bewijs dat zulke toestanden ook daadwerkelijk gerealiseerd worden in de natuur. Sinds hun ontdekking 15 jaar geleden zijn hoge-temperatuur supergeleiders intensief onderzocht, met name vanwege het hoogst eigenaardige gedrag van de elektronensystemen die verantwoordelijk zijn voor supergeleiding bij hoge temperatuur. Het Gronings/Leidse team laat zien dat de tijds- en temperatuurafhankelijkheid van de elektrische geleidingseigenschappen direct het schaalinvariante karakter van de quantumdynamica van deze elektronen weerspiegelt.

Implicaties

De waarneming van deze quantum-kritische toestand werpt een geheel nieuw licht op het mysterie van de hoge-temperatuur supergeleiding. Het lijkt er op dat de twee concurrende quantumgrondtoestanden die verantwoordelijk zijn voor het quantum-kritische gedrag pas zichtbaar worden als de supergeleiding onderdrukt is door bijvoorbeeld een groot magneet veld aan te leggen. Echter, de supergeleidende overgangstemperatuur is het hoogst precies op de quantum-faseovergang. Dit suggereert dat het gevecht tussen de twee concurrenten van de supergeleiding precies de juiste voorwaarden schept voor het ontstaan van de beste supergeleider. Het is als het spreekwoordelijke ‘als twee honden vechten om een been loopt de derde er mee heen’.

De consequenties van deze waarnemingen beperken zich niet tot hoge-temperatuur supergeleiding alleen. De quantum-kritische toestand is een totaal nieuwe toestand van materie met allerlei unieke eigenschappen die elders niet gevonden worden. Om een voorbeeld te geven: recent is aangetoond met de middelen van quantum-informatietheorie, dat de quantummechanische verstrengeling zelf schaalinvariant is en zich uitstrekt tot macroskopische afstanden in de quantum-kritische toestand. Gegeven de ervaringen uit het verleden kan het niet anders of zo’n volstrekt nieuwe vorm van materie zal onverwachte toepassingen vinden.

Een voorstelling van een quantum-kritische toestand. De belangrijkste eigenschap van die toestand is dat het quantumgedrag van het systeem op elke beschouwde schaal hetzelfde is. Het systeem is daardoor fractaal geworden. De afbeelding geeft een voorbeeld uit ander theoretisch onderzoek, waarbij het lot gevolgd wordt van een verzameling quantumdeeltjes die in een tweedimensionaal vlak leven. Op die manier ontstaat een driedimensionaal plaatje, hier perspectivisch weergegeven langs de tijdrichting, en gezien loodrecht op het tweedimensionale vlak. (Een nogal esoterisch aspect, maar van cruciaal belang in de theorie, is dat deze tijd een imaginair getal is. De tijd neemt hier dus waarden aan die overeenkomen met de wortel van een negatief getal). Ieder deeltje kan in drie quantumtoestanden voorkomen, ‘rood’, ‘geel’ of ‘onzichtbaar’. De eerste twee corresponderen met de rode en gele lijnstukken langs de tijdas. De dwarsstreepjes (groen en violet) geven de tijdstippen aan waarop twee deeltjes met elkaar in wisselwerking zijn, wat veroorzaakt dat de ze zo nu en dan overspringen naar een andere quantumtoestand. In deze berekening ontstaan kritische clusters . De clusters zijn in essentie fractaal. Illustratie: FOM/TUDelft

Dit artikel is een publicatie van Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).
© Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 23 september 2003
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.