[PWC-MEDIA] Persbericht QuTech: De magneet die niet bestond

  • From: Leonie Hussaarts <L.Hussaarts@xxxxxxxxxx>
  • To: communications-qutech <communications-qutech@xxxxxxxxxx>
  • Date: Mon, 2 Mar 2020 18:25:32 +0000

De magneet die niet bestond


In 1966 voorspelde de Japanse natuurkundige Yosuke Nagaoka het bestaan van een 
nogal opvallend fenomeen: Nagaoka's ferromagnetisme. Zijn nauwgezette theorie 
verklaart hoe materialen magnetisch kunnen worden, met één voorbehoud: de 
specifieke condities die hij beschreef komen niet van nature in enig materiaal 
voor. Onderzoekers van QuTech<http://www.qutech.nl/>, een samenwerking tussen 
de TU Delft en TNO, hebben nu experimentele verschijnselen van Nagaoka's 
ferromagnetisme waargenomen met behulp van een ingenieus quantumsysteem. De 
resultaten zijn vandaag gepubliceerd in Nature.

Magneten zoals die op je koelkast zijn een alledaags voorbeeld van een fenomeen 
dat ferromagnetisme heet. Magneten bestaan uit atomen, en atomen bestaan op hun 
beurt weer uit een kern en elektronen. Elektronen hebben een eigenschap die 
'spin' wordt genoemd, wat er voor zorgt dat zij zich gedragen als minuscule 
magneten. In een ferromagneet richten de spins van vele elektronen zich 
parallel aan elkaar en combineren ze zich tot één groot magnetisch veld. Dit 
lijkt een eenvoudig concept, maar Nagaoka voorspelde een nieuw en verrassend 
mechanisme voor het optreden van ferromagnetisme, dat niet eerder in enig 
systeem was waargenomen.

Schuifpuzzel voor kinderen
"Een eenvoudige schuifpuzzel voor kinderen kan helpen om de voorspelling van 
Nagaoka te begrijpen," vertelt JP Dehollain. Samen met Uditendu Mukhopadhyay 
voerde hij de experimenten uit. "Deze puzzel bestaat uit een rooster van vier 
bij vier tegels, met één enkele lege plek. Door de tegels te schuiven, kun je 
de puzzel oplossen. Denk vervolgens aan de Nagaoka-magneet als een soortgelijk 
tweedimensionaal, vierkant rooster, waarbij elke tegel een elektron is. De 
elektronen gedragen zich dan als de tegels in het kinderspel en schuiven rond 
in het rooster."



[cid:image002.png@01D5F0C8.56F80D40]<https://qutech.nl/the-magnet-that-didnt-exist>Animatie
 online beschikbaar<https://qutech.nl/the-magnet-that-didnt-exist>. De 
schuifpuzzel kan gebruikt worden om Nagaoka ferromagnetisme uit te leggen. De 
puzzel links laat zien dat elke verschuiving de opstelling van de spins 
verandert. De puzzel rechts toont elektronen die zijn uitgelijnd. Dit verlaagt 
de energie van het systeem, net als bij Nagaoka's ferromagnetisme.


Als de elektronen niet zijn uitgelijnd (dus als elke tegel een pijl heeft die 
in een andere richting wijst in de schuifpuzzel), dan zullen de elektronen na 
iedere verschuiving een andere opstelling vormen ten opzichte van elkaar. Als 
daarentegen alle elektronen zijn uitgelijnd (alle tegels hebben een pijl die in 
dezelfde richting wijst), dan blijft de opstelling altijd hetzelfde, ongeacht 
hoe de elektronen worden geschoven." Nagaoka ontdekte dat het uitlijnen van de 
elektronenspins resulteert in een lagere energie van het systeem," vervolgt 
Dehollain. "Als gevolg daarvan zal een systeem van een vierkant, 
tweedimensionaal rooster met één ontbrekend elektron van nature de voorkeur 
geven aan een toestand waarin alle elektronenspins zijn uitgelijnd - een 
Nagaoka-ferromagnetische toestand."

Doe-het-zelfmagneet
De onderzoekers hebben, voor het eerst in de geschiedenis, experimentele 
verschijnselen van Nagaoka-ferromagnetisme waargenomen. Mukhopadhyay: "We 
hebben dit bereikt door een apparaat te ontwerpen welke enkele elektronen kan 
'vangen'. Deze zogenaamde quantumdots worden al een tijdje gebruikt in 
wetenschappelijke experimenten. Onze uitdaging was om een tweedimensionaal, 
zeer controleerbaar rooster van vier quantumdots te maken. Om deze apparaten te 
laten werken, moesten we een elektrisch circuit in de nanometerschaal bouwen, 
ze afkoelen tot bijna het absolute nulpunt (-272,99°C) en miniscule elektrische 
signalen meten."

"Onze volgende stap was om drie elektronen te vangen en deze vrij te laten 
bewegen binnen het twee-bij-twee rooster, waardoor de specifieke voorwaarden 
voor Nagaoka-ferromagnetisme werden gecreëerd," vervolgt Mukhopadhyay. "We 
moesten vervolgens aantonen dat dit rooster zich inderdaad als een magneet 
gedraagt. Het magnetisch veld dat door drie elektronen wordt opgewekt is te 
klein om met conventionele methoden te detecteren, dus in plaats daarvan 
gebruikten we een zeer gevoelige elektrische sensor die de spinrichting van de 
elektronen kon 'ontcijferen' en omzetten in een elektrisch signaal dat we in 
het lab konden meten. Op deze manier konden we bepalen of de elektronenspins 
waren uitgelijnd zoals verwacht."


Artistieke weergave van Nagaoka-ferromagnetisme op het 2x2-rooster van 
quantumdots[2019-05-07749C_Cover_4]


De puzzel opgelost
"De resultaten waren glashelder: we hebben Nagaoka-ferromagnetisme aangetoond," 
vertelt Lieven Vandersypen, hoofdonderzoeker en mededirecteur van het Kavli 
Institute of Nanoscience. "Toen we aan dit project begonnen, wist ik niet zeker 
of het experiment wel mogelijk zou zijn, omdat de fysica zo anders is dan al 
het andere wat we ooit in ons lab hebben bestudeerd. Maar ons team is erin 
geslaagd om de juiste experimentele omstandigheden te creëren voor 
Nagaoka-ferromagnetisme en toonde de robuustheid van het quantumdot systeem 
aan."

Hoewel dit kleinschalige systeem nog lang geen implicaties heeft voor het 
dagelijks leven, is het een belangrijke mijlpaal op weg naar grootschaliger 
systemen zoals quantumcomputers en quantumsimulatoren. Vandersypen: "Zulke 
systemen maken het mogelijk om problemen te bestuderen die te complex zijn om 
op te lossen met de meest geavanceerde supercomputer van vandaag. Complexe 
chemische processen bijvoorbeeld. 'Proof-of-principle' experimenten, zoals het 
aantonen van Nagaoka-ferromagnetisme, bieden een belangrijke leidraad voor de 
ontwikkeling van quantumcomputers en -simulatoren van de toekomst."



Noot voor de redactie

Publicatie
Nagaoka ferromagnetism observed in a quantum dot plaquette
Juan P. Dehollain, Uditendu Mukhopadhyay, Vincent P. Michal, Yao Wang, Bernhard 
Wunsch, Christian Reichl, Werner Wegscheider, Mark S. Rudner, Eugene Demler, 
Lieven M. K. Vandersypen
Nature, beschikbaar online op 2 maart 2020
DOI 10.1038/s41586-020-2051-0; 
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2051-0%20.

Financiering
Het onderzoek wordt ondersteund door de Nederlandse Organisatie voor 
Wetenschappelijk Onderzoek (FOM-projectruimte en NWO Vici) en de Europese 
Onderzoeksraad (ERC-Synergy).

Contact
Lieven Vandersypen, 
L.M.K.Vandersypen@xxxxxxxxxx<mailto:L.M.K.Vandersypen@xxxxxxxxxx>, 
+31(0)648269582.
QuTech Communications, 
communications-qutech@xxxxxxxxxx<mailto:communications-qutech@xxxxxxxxxx>.

Animatie en beeld
De animatie is vrij te gebruiken o.v.v. Scixel de Groot voor QuTech.
De artistieke weergaven is vrij te gebruiken o.v.v. Sofía Navarrete and María 
Mondragón De la Sierra voor QuTech.

U ontvangt dit bericht via de PWC-medialijst. U kunt zich afmelden via
http://platformwetenschapscommunicatie.nl/
Dit bericht is afkomstig van de QuTech, Communications, 
www.qutech.nl<http://www.qutech.nl>.



Leonie Hussaarts, PhD | Manager Communication | TU Delft / QuTech | Room F004, 
Building 22 | Lorentzweg 1| 2628 CJ  Delft | T +31 (0)6 38 67 84 19 | E  
l.hussaarts@xxxxxxxxxx<mailto:l.hussaarts@xxxxxxxxxx> |www.qutech.nl




PNG image

JPEG image

PNG image

JPEG image

Other related posts:

  • » [PWC-MEDIA] Persbericht QuTech: De magneet die niet bestond - Leonie Hussaarts