Een magneet gemaakt van ytterbiumatomen is slechts een miljardste graad warmer dan het absolute nulpunt. Inzicht in de werking ervan kan natuurkundigen helpen om hoge-temperatuur-supergeleiders te ontwerpen.

Een gewone magneet stoot magnetische voorwerpen af of trekt ze aan, afhankelijk van of de quantumspin van de elektronen in de magneet omhoog of omlaag gericht is. Die quantumspin is vergelijkbaar met het hebben van een noord- en zuidpool in een bepaalde richting. 

Maar dit is niet de enige eigenschap die kan worden gebruikt om een magneet te bouwen. Natuurkundige Kaden Hazzard van de Rice-universiteit in Texas en zijn collega’s hebben ytterbiumatomen gebruikt om een magneet te maken op basis van een quantumspin-achtige eigenschap die niet twee opties kent (omhoog en omlaag), maar zes stuks, ieder gelabeld met een kleur.

‘We willen kunstmatig ­intelligente systemen taal en de wereld laten begrijpen’
LEES OOK
‘We willen kunstmatig ­intelligente systemen taal en de wereld laten begrijpen’

Kopje thee

De onderzoekers sloten de atomen op in een vacuüm, en gebruikten laserbundels om ze af te koelen. Door precies uitgekiende duwtjes van de laser geven de atomen met de hoogste energie steeds een beetje energie af. Daardoor daalt de totale temperatuur, vergelijkbaar met het blazen over een kopje thee.

De onderzoekers gebruikten ook lasers om de atomen in verschillende configuraties te brengen, om magneten in verschillende constellaties te produceren. Sommige van die magneten waren eendimensionaal zoals een draad, andere waren tweedimensionaal als een vlak materiaal, of ze waren driedimensionaal zoals een stuk van een kristal.

Interstellaire ruimte

De atomen die in lijnen en vlakken waren gerangschikt, bereikten een temperatuur van ongeveer 1,2 nanokelvin, meer dan twee miljard keer zo koud als de interstellaire ruimte. Voor de atomen in driedimensionale constellaties was de situatie zo complex dat de onderzoekers nog aan het uitzoeken zijn wat de beste manier is om de temperatuur te bepalen.

De atomen in het experiment behoren tot een grotere groep die ’fermionen’ wordt genoemd. Het zijn ‘de koudste fermionen in het universum’, zegt Hazzard. ‘Toen ik er tien jaar geleden aan dacht om hiermee te experimenteren, leek dat meer een een droom van een theoretisch natuurkundige.’

Natuurkundigen zijn al lang geïnteresseerd in de wisselwerkingen tussen atomen in dit soort exotische magneten, omdat ze vermoeden dat soortgelijke wisselwerkingen ook voorkomen in hoge-temperatuur-supergeleiders. Dat zijn materialen die perfect, zonder weerstand, elektrische stroom geleiden. Door beter te begrijpen wat er in de zesvoudige magneten gebeurt, kunnen ze misschien betere supergeleiders ontwerpen.

Acht kleuren uit duizend

Er zijn wel theoretische berekeningen gemaakt van deze nieuwe magneten, maar die kunnen de exacte kleurtoestand-patronen niet voorspellen, of bepalen hoe magnetisch ze precies kunnen zijn, zegt co-auteur, theoretisch natuurkundige Eduardo Ibarra-García-Padilla.

Hij en zijn collega’s hebben een paar van de beste berekeningen ooit uitgevoerd tijdens de analyse van het experiment, maar toch konden ze slechts de kleuren voorspellen van acht atomen uit de duizenden in het experiment.

Als de atomen warm zijn hebben de quantumkleurtoestanden geen invloed op de interacties met de buuratomen, zegt theoretisch natuurkundige Victor Gurarie van de Universiteit van Colorado in Boulder, maar het het experiment was net koud genoeg om atomen wél ‘aandacht te laten schenken’ aan hun buuratomen. Omdat berekeningen zo lastig zijn, zouden zulke experimenten wel eens de enige manier kunnen zijn om zulke quantummagneten te bestuderen.