Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Het mysterie van het Kondo-effect ontrafeld

Leids fysicus Sander Otte heeft samen met een onderzoeksteam van IBM in Californië een doorbraak bereikt in het begrijpen van een fascinerend fundamenteel wetenschappelijk fenomeen: het Kondo-effect. De onderzoekers beschrijven de resultaten van hun onderzoek deze maand in het tijdschrift Nature Physics.

Eén kwantummechanisch geheel

Het Kondo-effect is een van de weinige voorbeelden in de natuurkunde waarbij heel veel deeltjes zich gezamenlijk gedragen als één kwantummechanisch geheel. Het kwam in 1936 in Leiden aan het licht en fascineert onderzoekers sindsdien. Fysicus Sander Otte heeft nu met het team van IBM ontdekt wanneer het effect optreedt.

Onbepaalde toestand

Een enkel magnetisch atoom dat zich in een metaal bevindt, kan door de geleidingselektronen van dat metaal worden “afgeschermd”. Op die manier raakt een hele wolk elektronen rondom het atoom gemagnetiseerd. Maar als het metaal naar extreem lage temperatuur wordt afgekoeld, dan komt in sommige gevallen het magnetische atoom in een onbepaalde, zogeheten superpositietoestand terecht.

Magnetische noordpool

In deze kwantummechanische situatie wijst de magnetische noordpool van het atoom tegelijkertijd in twee tegengestelde richtingen. Als gevolg hiervan komt de hele elektronenwolk rondom het atoom in dezelfde onbepaalde magnetisatietoestand. Dit is het Kondo-effect, genoemd naar de Japanse fysicus Jun Kondo.

Leiden 1936

Het verschijnsel kwam voor het eerst aan het licht in 1936 tijdens weerstandsmetingen aan metalen bij lage temperaturen in Leiden. De theorie rondom het verschijnsel werd ontwikkeld in de jaren ’60, maar nog altijd zijn er veel vragen. Dankzij de nieuwe ontdekking is het nu mogelijk te begrijpen wanneer het Kondo-effect plaatsvindt en wanneer niet.

Directe omgeving van het atoom

Het antwoord blijkt te liggen in de directe omgeving van het atoom. Door de atomaire geometrie van die omgeving nauwkeurig te bestuderen met behulp van een scanning tunneling microscoop, konden Otte en zijn collega’s vaststellen aan welke eisen het moet voldoen om het Kondo-effect mogelijk te maken. 

Botsing met één elektron voldoende

‘Het ligt eraan hoe het atoom zijn eigen magneetveld oriënteert in die omgeving’, legt Otte uit, per e-mail uit de VS. ‘Als dit magneetveld zo “los” ligt dat een botsing met één elektron voldoende is om het om te klappen, dan onstaat een Kondo-effect, en anders niet.’ 

Eigen techniek

Ze gebruikten een techniek die ze in 2007 zelf ontwikkelden. Met deze techniek kon toen voor het eerst de magnetische stabiliteit van een enkel atoom, dat is de kleinst mogelijke magneet, vastgesteld worden. Een stabiele magnetische richting is de voorwaarde voor magnetische data-opslag.

Kobaltatomen

Otte: ‘Destijds gebruikten we ijzer- en mangaanatomen voor ons onderzoek. Die vertoonden geen van beide een Kondo-effect. Maar tijdens vervolgexperimenten ontdekten we dat er ineens wél een Kondo-effect ontstond bij kobaltatomen. Aanvankelijk was dit een raadsel voor ons, maar dat is nu opgelost.’     
   
Sander Otte promoveerde in maart aan de Universiteit Leiden, en is nu postdoc aan het National Institute of Standards and Technology (NIST) in de Verenigde Staten.  

Afbeelding: individuele ijzer, mangaan- en kobaltatomen op eilanden van koper-nitride die gegroeid zijn op één van de facetten van een koperkristal. (Afbeelding Sander Otte)

Meer informatie