Het bestaan van het nieuwe, vreemde vorm van materie genaamd ‘excitonium’ is aangetoond. Het bestaan ervan werd vijftig jaar geleden al voorspeld. Het bleek lastig om met zekerheid aan te tonen dat materiaal dat op excitonium lijkt, het ook echt is. Dankzij een nieuwe meettechniek is dat nu gelukt.

Kunstenaarsimpressie van een verzameling excitons die excitonium vormen. Het gele gedeelte kan gezien worden als bewegend ten opzichte van de (blauwe) achtergrond excitons in een vaste stof.
Bron: Peter Abbamonte, U. of I. Department of Physics and Frederick Seitz Materials Research Laboratory

Onderzoekers van de University of Illinois in de Verenigde Staten maakten voor het eerst driedimensionaal excitonium. Ze gebruikten hiervoor het overgangsmetaal titanium diselenide. Een andere groep onderzoekers, van dezelfde universiteit, toonde aan dat het echt excitonium is.

Excitons

Het materiaal excitonium bestaat uit de quasideeltjes genaamd excitons. Quasideeltjes zijn een soort denkbeeldige deeltjes. Ze verschijnen door het gedrag van andere deeltjes. Zo is een exciton een combinatie van een elektron en een ‘elektrongat’. Dat gat verschijnt als ergens een elektron ontbreekt. Een elektrongat gedraagt zich als een positief geladen deeltje. Een negatief geladen elektron en een elektrongat trekken elkaar aan en kunnen zo verbonden raken. Samen vormen ze een exotisch excitondeeltje.

Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’
LEES OOK

Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’

Dylan van Arneman verruilt een paar keer per jaar zijn werkkamer op het Science Park in de Watergraafsmeer voor de ondergrond ...

Excitonium heeft bijzondere eigenschappen omdat het een zogenoemd quantumcondensaat is. Dat betekent dat quantumeigenschappen, die normaal alleen te zien zijn op microscopische schaal, zich ook op macroniveau laten zien. Het meeste bekende voorbeeld van een quantumcondensaat is een supergeleider, die zonder weerstand elektrische stroom geleidt.

Nieuwe meettechniek

De onderzoekers die bewezen dat het materiaal excitonium was, waren niet op zoek naar de vreemde nieuwe materievorm. Ze wilden simpelweg de nieuwe meetmethode momentum-resolved electron energy-loss spectroscopy (M-EELS) testen, zegt promovendus Anshul Kogar in een persbericht.

LEESTIP Alles over nog onontdekte deeltjes in De deeltjessafari van Jean-Paul Keulen Bestel het boek in onze webshop

Met EELS wordt een materiaal bekeken door het af te tasten met een bundel elektronen. Afhankelijk van de manier waarom de elektronen teruggekaatst worden, kan de structuur van het materiaal bekeken worden. De onderzoekers verbeterden deze methode door een soort goniometer toe te voegen. Daardoor kunnen ze niet alleen naar het energieverlies, maar ook naar de impuls van de teruggekaatste elektronen kijken.

Dat het materiaal dat voor handen was, mogelijk excitonium kon zijn, was natuurlijk niet helemaal toevallig. De onderzoekers die de materie gemaakt hadden, wilden het graag beschikbaar stellen.

De nieuwe materievorm heeft nog geen concrete toepassingen. Verder onderzoek moet uitwijzen of het wellicht een supergeleider of superisolator is. Maar het biedt onderzoekers in elk geval de mogelijkheid om op een nieuwe manier quantumeigenschappen van materie te bestuderen.

Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.

Lees verder: