Maak kennis met het pi-ton. Weense wetenschappers stuitten toevallig op dit nieuwe quasideeltje terwijl ze werkten aan computersimulaties met een ander quasideeltje.

Quasideeltjes zijn een soort schijndeeltjes die alleen ontstaan dankzij het collectieve gedrag van andere deeltjes. Ze zijn vergelijkbaar met een golf op zee die ontstaat door hoe water zich gedraagt. En nu hebben onderzoekers van de TU Wien een nieuw exemplaar aan die verzameling deeltjes toegevoegd.

Reisgids voor de quantumwereld: een overzicht van de deeltjes die onze werkelijkheid vormgeven
LEES OOK

Reisgids voor de quantumwereld: een overzicht van de deeltjes die onze werkelijkheid vormgeven

Overzicht van de quantumwereld bewoners en hun vreemde gedragingen, plus een aantal kandidaat-bewoners die natuurkundigen hopen te ontdekken.

Met computersimulaties probeerden de onderzoekers te begrijpen welke invloed bepaalde fysische processen, zoals het ontstaan van quasideeltjes, hebben in een materiaal. Aanvankelijk waren ze vooral geïnteresseerd in de invloed van quasideeltjes genaamd excitonen, mailt de bij het onderzoek betrokken natuurkundige Anna Kauch. ‘Maar het bleek dat een andere soort quasideeltjes veel meer effect had op de eigenschappen die we bestudeerden. Die nieuwe quasideeltjes hebben we pi-tonen genoemd.’

Bewegende gaten

De excitonen die de onderzoekers wilden bestuderen, bestaan uit een elektron en een ‘elektrongat’ – de afwezigheid van een elektron. ‘Stel je voor dat atomen gerangschikt zijn in een regelmatige kristalstructuur en dat elk atoom een elektron heeft dat vrij rond kan bewegen’, legt Karsten Held van de TU Wien uit. ‘Alleen bij één atoom ontbreekt het elektron. Dat is een elektrongat.’

Een elektron van een naastgelegen atoom kan dat gat opvullen en zelf weer een gat achterlaten. Vervolgens kan een ander elektron dat gat weer opvullen, enzovoort. Dit kun je beschrijven als meerdere bewegende elektronen of als één bewegend elektrongat.

Een elektrongat kan op zichzelf een quasideeltje zijn, maar het kan ook een band aangaan met een elektron en zo een exciton vormen. Deze quasideeltjes worden bestudeerd omdat ze bijvoorbeeld elektronica efficiënter kunnen maken.

Schaakbordachtige rangschikking

In hun computersimulaties verwachtten de Weense onderzoekers excitonen te zien, maar ze vonden quasideeltjes die bestonden uit twee elektronen en twee elektrongaten, die als viertal een band waren aangegaan.

Deze pi-tonen blijken spontaan te ontstaan in bepaalde materialen als er licht op valt. Als een pi-ton weer uit elkaar valt, wordt er een lichtdeeltje uitgezonden.

‘Volgens onze voorspellingen vormen pi-tonen vooral in materialen met een schaakbordachtige rangschikking’, zegt Kauch. Die rangschikking uit zich in de verdeling van ladingsdichtheden of een bepaalde vorm van magnetisme.

Twee elektronen (zwarte go-steentjes) en twee elektrongaten (groene cirkels) vormen samen een pi-ton. Het materiaal heeft een schaakbordachtige rangschikking. Het pi-ton ontstaat door inkomend licht (rode kronkellijn) en zendt ook licht uit als het uit elkaar valt. Beeld: TU Wien

Efficiëntere zonnecellen

De onderzoekers denken dat de pi-tonen voorkomen in echte materialen omdat ze telkens weer opduiken in verschillende computersimulaties. ‘Het is lastig om ze experimenteel aan te tonen’, zegt Kauch. ‘Je hebt een combinatie van meettechnieken nodig om het verschil tussen pi-tonen en excitonen te zien. We hebben wel al een materiaal gevonden – samarium-titaniumoxide – waarin ze mogelijk ooit gezien zijn tijdens optische experimenten. Maar er zijn aanvullende experimenten nodig om dit met zekerheid vast te stellen.’

Directe toepassingen lijken de pi-tonen, die tot nu toe alleen in computersimulaties gezien zijn, niet te hebben. Maar ze kunnen mogelijk wel een positief effect hebben op de efficiëntie van zonnecellen. Waarschijnlijk kunnen ze daarin ontstaan, stelt Kauch.