Jaarboek no. 87. 2008/2009 - Koninklijke Maatschappij voor ...

Diligentia 45
oppervlak in het specimen. Voor deze
experimenten is het noodzakelijk dat
de elektronen zonder verstrooiing hun
cyclotronbaan kunnen voltooien, d.w.z.:
w c t > 1 met w c de cyclotronfrequentie
eB/m en t de tijd tussen botsingen en m
de elektronmassa. Deze voorwaarde hangt
af van de kwaliteit van materialen. Bij zeer
zuivere kristallen kan deze tijd zo lang
zijn dat deze conditie al bij lage magneetvelden
vervuld is. Nieuwe materialen of
mengkristallen zijn veelal minder zuiver
en dit soort experimenten kan dan alleen
bij hoge magneetvelden worden gedaan,
omdat dan w c t > 1 vanwege de grotere
cyclotronenergie. Veel toepassingen van
magneetvelden zoals cyclotronresonantie
(effectieve massa van materialen),
elektronspin resonantie (spintoestanden
en directe omgeving van magnetische
ionen), kernspinresonantie (directe omgeving
resonante kernspins) e.d., dienen
er dan ook voor om met behulp van metingen
in magneetvelden meer te weten
te komen over de eigenschappen van materie
bij nul veld. Hoge velden zijn veelal
noodzakelijk om voldoende gevoeligheid
en resolutie te krijgen en globaal geldt,
hoe hoger hoe beter.
BOX 1
De SI eenheid voor magnetische inductie, ‘’het
magneetveld’’, is de Tesla [T], genaamd naar de
Servische geleerde Nicola Tesla. Deze eenheid
is Wb/m 2 =N/Am
en is gerelateerd aan de standaard SI eenheden
via de Lorentzkracht F=q v x B.
Derhalve geeft één Coulomb lading q, met een
snelheid v van één meter per seconde in een
veld B van 1 Tesla een kracht van één Newton.
Een veel gebruikte niet-SI eenheid is de Gauss
(of ook wel Oersted) gelijk aan 10 -4 T. Relevante
waardes van magneetvelden liggen ongeveer
tussen 10 -8 T (het veld opgewekt door hersenactiviteit)
en 10 8 T (het veld op sommige neutronensterren).
In het dagelijkse leven zijn de meest
bekende magneten de permanente magneten
in luidsprekers, motoren e.d. en die liggen alle
tussen 0.01 en 2 T. Velden boven 2-3 T kunnen
alleen met elektromagneten en supergeleidende
magneten (gemaakt van weerstandloze supergeleiders)
opgewekt worden. Boven 20-23 T bestaat
geen supergeleidend draad van voldoende
lengte om een spoel van te maken en is de enige
manier om continue velden te maken met een
groot elektrisch vermogen, zoals in gespecialiseerde
magnetenlaboratoria het geval is.
Naast elektronische eigenschappen worden magneetvelden uiteraard veel gebruikt op het
gebied van het magnetisme. De magnetisatie van veel magnetische materialen toont als
functie van het magneetveld een gedrag (paramagnetisch en diamagnetisch), dat karakteristiek
is voor deze materialen. Sommige vertonen magnetische faseovergangen, wanneer de
energie als gevolg van het externe veld vergelijkbaar wordt met de energieën als gevolg van
de interne magnetische wisselwerking (bijvoorbeeld exchange) en op die manier worden dit
soort interne energieën dan ook bepaald. De hiervoor benodigde magnetische velden kunnen
soms wel enkele honderden Tesla bedragen. Dit soort onderzoek is vooral belangrijk
bij zogenaamde harde magnetische materialen.
In het geval van geïnduceerd magnetisme of magnetische faseovergangen ontstaat een
nieuwe toestand van de materie, een toestand die slechts indirect van doen heeft met de
eigenschappen bij nul magneetveld. Iets analoogs gebeurt ook wanneer bijvoorbeeld supergeleiders
in hoge velden naar de normale toestand overgaan. Dit soort ‘nieuwe’ toestanden
van de materie leveren vaak de meest interessante nieuwe fysica op. Het perspectief dat
zulk soort effecten kunnen optreden is dan ook vaak een van de belangrijkste drijfveren om
experimenten bij de hoogst mogelijke magneetvelden te willen doen. Vaak komen dit soort
ontdekkingen dan ook onverwacht en zijn het resultaat van enerzijds een goede intuïtie
van de onderzoeker en anderzijds het feit dat ergens ter wereld zulke hoge velden voor de
onderzoeker ter beschikking staan. Hoge magneetvelden vervullen hier een pioniersrol.
De meest spectaculaire recente voorbeelden van dit soort nieuwe fysica zijn natuurlijk de
ontdekking van het Quantum Hall Effect (QHE, Nobelprijs voor K. von Klitzing, 1985) en
het Fractionele Quantum Hall Effect (FQHE, Nobelprijs voor D. Tsui, H. Stormer en R.
Laughlin, 1998).
Zeer hoge magneetvelden: hoe en waarom?