Ontwikkeling quasideeltjes met regelbare interacties

ENGINEERINGNET.BE - De wetten van de quantummechanica maken het bestaan van ‘quasideeltjes’ mogelijk: excitaties in materialen die zich precies zo gedragen als gewone deeltjes. Een groot voordeel van quasideeltjes ten opzichte van gewone deeltjes is dat hun eigenschappen geconstrueerd kunnen worden.

In een nieuwe studie beschrijft natuurkundige Erik van Heumen, verbonden aan de Universiteit van Amsterdam, recente experimenten waarin zelfs de interacties tussen quasideeltjes regelbaar zijn.

Recent zijn de wiskunde-tak van de topologie, waarin de vorm van dingen wordt bestudeerd, en de natuurkunde-tak van de gecondenseerde materie, waarin het gedrag van vaste stoffen en vloeistoffen wordt onderzocht, samengegaan in een nieuw onderzoeksgebied: topologische materialen.

Een van de interessantste aspecten van dit gecombineerde onderzoek is het ontstaan van exotische quasideeltjes: lokale verstoringen in materialen die zich precies zo gedragen als deeltjes.

Dat zulke quasideeltjes kunnen bestaan, was al bekend uit de quantumbeschrijving van eenvoudige materialen. Wat de combinatie met topologie te bieden heeft, is een geheel nieuwe verzameling van zulke deeltjes, die bekend staan onder namen als Dirac- en Weylfermionen, axionen en magnetische monopolen.

Door zich te bevrijden van de strenge regels voor gewone deeltjes die de natuur oplegt, krijgen onderzoekers controle over de eigenschappen van quasideeltjes. Ze maken daarvoor een slimme keuze van materialen waarin quasideeltjes gegenereerd worden.

Recent is een familie van materialen ontdekt waarin de atomen gerangschikt zijn in een zogeheten kagome-rooster. In deze materialen ontstaat een zogeheten ‘flux-density wave’, een excitatie die de eerste bevestiging levert van de theoretische voorspelling dat deze materialen exotisch wisselwerkende quasideeltjes kunnen bevatten.

Het feit dat zulke regelbare interacties tussen quasideeltjes nu in het laboratorium kunnen worden gemaakt, belooft veel voor de toekomstige studie van topologische materialen.