Onderzoek naar elektronen in 1,58 dimensies

Het is bekend dat elektronen zich heel anders gedragen in drie dimensies (kubus), twee dimensies (vlak) of één dimensie (draad), maar wat gebeurt er als elektronen in 1,58 dimensies leven?

Trefwoorden: #1, #58, #antennes, #dimensie, #elektron, #elektronica, #fractals, #koolmonoxide, #Marlou slot, #niet-gehele dimensie, #quantum, #Sander Kempkes, #Sierpiński-driehoek, #structuur, #Universiteit Utrecht

Lees verder

research

ENGINEERINGNET.BE - Niet-gehele dimensies, zoals 1,58, vind je in fractals, zoals je longen. Een fractal is een bijzonder soort structuur: als je inzoomt, zie je dezelfde structuur opnieuw. Een klein stukje Romanesco-broccoli ziet er bijvoorbeeld net zo uit als de hele stronk broccoli.

In elektronica worden fractals veel gebruikt in antennes, omdat ze signalen in een groot frequentiebereik kunnen verzenden en ontvangen.

Een relatief nieuwe onderzoeksrichting op het gebied van fractals is het quantumgedrag dat optreedt als je helemaal inzoomt tot op de schaal van elektronen.

Met behulp van een quantumsimulator slaagden natuurkundigen Sander Kempkes en Marlou Slot van de Universiteit Utrecht erin om zo’n fractal van elektronen te bouwen.

De onderzoekers maakten een soort ‘muffinvorm’ door koolmonoxidemoleculen in de juiste vorm op een koperen achtergrond te plaatsen met een scanning tunneling-microscoop. De resulterende Sierpiński-driehoek heeft een fractale dimensie van 1,58.

Zij observeerden dat de elektronen in de driehoek zich daadwerkelijk gedragen alsof ze in 1,58 dimensies leven. De resultaten van het onderzoek laten zien hoe bindende en niet-bindende Sierpińksi-driehoeken verschillen in energie, wat kansen oplevert voor het doorgeven van stroom door deze fractale structuren.

In de bindende driehoek zijn de elektronen met elkaar verbonden, waardoor ze makkelijk van plek veranderen (veel geleiding). In de niet-bindende driehoek zijn de elektronen niet verbonden en kunnen ze alleen een andere plek bereiken door te ‘springen’ (weinig geleiding).

Door de dimensie van de elektronische golffunctie te berekenen, konden de onderzoekers waarnemen dat de elektronen zelf beperkt zijn tot deze dimensie en dat de golffuncties deze fractionele dimensie erven.

Het onderzoek roept allerlei nieuwe vragen op, zoals wat het betekent voor elektronen om te leven in niet-gehele dimensies. Fractals hebben al veel toepassingen, dus verdere resultaten kunnen een grote impact hebben op onderzoek op de quantumschaal.


(Illustratie: Kempkes et al., Nature Physics, 2018)

Op de figuur
Elektronen in bindende (l.) en niet-bindende (r.) Sierpiński-driehoeken; scale bar 2nm.