Onderzoekers hebben voor het eerst in realtime gezien hoe twee concurrerende elektronische toestanden zich opnieuw vormen in hetzelfde quantum-materiaal. De ontdekking laat zien dat elektronen zich daarbij op twee fundamenteel verschillende manieren organiseren. Dat inzicht kan uiteindelijk helpen bij de ontwikkeling van nieuwe elektronica en quantumtechnologie.
Quantum-materialen kunnen eigenschappen vertonen die in gewone materialen nauwelijks voorkomen, zoals supergeleiding of bijzondere magnetische toestanden. Een belangrijke vraag is waarom verschillende van zulke toestanden soms binnen één materiaal naast elkaar bestaan.
Onderzoekers van onder meer MIT, Stanford, Harvard en ETH Zürich hebben dat nu onderzocht met erbiumtritelluride (ErTe₃). Hun resultaten zijn gepubliceerd in Nature Physics.
Elektronen maken een schaakbord
Erbiumtritelluride kent zogeheten ladingsdichtheidsgolven, of charge density waves (CDW’s). Daarbij zijn elektronen niet gelijkmatig over het materiaal verdeeld, maar organiseren ze zich gezamenlijk in een periodiek patroon.
Onder ongeveer -8 °C ontstaat in ErTe₃ een eerste, dominante CDW. Bij verdere afkoeling tot circa -113 °C verschijnt een tweede patroon dat loodrecht op het eerste staat. Samen vormen de twee elektronische structuren iets wat op een microscopisch schaakbord lijkt. Voor het experiment werd het materiaal tot ongeveer -230 °C gekoeld.
Juist die tweede fase stelde natuurkundigen al langer voor een raadsel: waarom ontstaat hij en hoe verhoudt hij zich tot de eerste?
Twee laserpulsen geven het antwoord
Om dat zichtbaar te maken, gebruikten de onderzoekers een slimme pomp-proeftechniek. Een eerste ultrakorte laserpuls verstoorde de elektronische ordening. Vervolgens werd met een tweede puls op verschillende tijdstippen gemeten hoe de elektronen zich opnieuw organiseerden.
De dominante CDW keerde geleidelijk en vrijwel overal tegelijk terug. Dat past bij een klassieke continue faseovergang.
De tweede CDW gedroeg zich totaal anders. Die ontstond eerst in afzonderlijke gebiedjes, waarna deze steeds groter werden. Het proces lijkt daarmee meer op water dat bevriest: eerst verschijnen kleine ijskristallen, die vervolgens uitgroeien totdat het water is bevroren. Volgens de onderzoekers wijst dit op een zogeheten nucleatie- en groeimechanisme.
Waarom dit belangrijk is voor toekomstige chips
Het experiment levert niet direct een nieuwe quantumcomputer of snellere processor op. De methode kan wél helpen begrijpen hoe concurrerende quantumfasen elkaar beïnvloeden.
Dat is vooral interessant bij veel complexere materialen, zoals hoge-temperatuur-supergeleiders. Daar kunnen supergeleiding, magnetisme en ladingsdichtheidsgolven tegelijkertijd voorkomen. Mogelijk ontstaat juist door de wisselwerking tussen zulke fasen het uitzonderlijke gedrag van deze materialen.
Op langere termijn is dat ook relevant voor de chipindustrie. Silicium nadert op verschillende fronten fysieke en economische grenzen, waardoor onderzoekers zoeken naar materialen die nieuwe manieren van schakelen en informatieverwerking mogelijk maken. Quantum-materialen met meerdere controleerbare elektronische toestanden behoren tot de kandidaten.
Daarvoor moeten ingenieurs echter eerst precies begrijpen hoe zulke toestanden ontstaan, verdwijnen en weer kunnen worden opgebouwd. Dit laserexperiment biedt daarvoor een nieuw instrument: in plaats van alleen naar het eindresultaat te kijken, kunnen onderzoekers als het ware de elektronische verbouwing volgen terwijl die plaatsvindt.
Dat maakt de ontdekking vooral een fundamentele stap. Maar bij toekomstige elektronica begint technologische vooruitgang vaak precies daar: begrijpen hoe je materie op het niveau van elektronen kunt laten doen wat je wilt.
