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

48 Diligentia
Deze effecten treden op bij lage temperaturen in zeer hoge velden in zogenaamde 2-Dimensionale
Elektronen Gassen (2DEG) zoals die bestaan in Si-MOS en GaAs/GaAlAs
halfgeleider heterostructuren. In beide systemen zitten vrije elektronen opgesloten in een
dunne laag aan het grensvlak tussen beide verschillende materialen. De opsluiting is zo
sterk dat via het quantum size effect de elektronische toestand is gequantiseerd en als gevolg
daarvan de elektronen alleen in twee dimensies langs het grensvlak kunnen bewegen.
Een sterk magneetveld loodrecht op dit vlak quantiseert nu ook de beweging in dit vlak en
er ontstaat een set volledig discrete niveaus, gescheiden door verboden zones. Dit is als het
ware een atomaire toestand maar met een hele hoge ontaarding.
De aanwezige elektronen verdelen zich over de niveaus die elk per spinniveau eB/h (de
ontaardingsgraad, met h de constante van Planck) elektronen kunnen herbergen. Bij toenemend
veld en gelijkblijvend aantal elektronen zal, vanwege de toenemende ontaarding het
aantal bezette niveaus afnemen en bij bepaalde velden is er dan precies een geheel aantal
(integer) van deze niveaus bezet. Onder deze omstandigheden verdwijnt het geleidingsvermogen
en heeft de Hall-weerstand een exacte waarde van e 2 / h (1/N) = 25 812, 807557/N
W met N een geheel getal. Het blijkt dat deze weerstandswaarde onwaarschijnlijk nauwkeurig
is, zelfs zodanig dat vergelijking tussen verschillende samples of zelfs materialen
aantoont dat de waardes minder dan 10 -10 van elkaar afwijken. Deze precisie is veel groter
dan die waarmee de waarde van zogenaamde standaardweerstanden in ijklaboratoria bekend
zijn (10 -7 ); de aanbevolen waarde voor de W is dan ook sinds 1990 op de zogenaamde
von Klitzing gebaseerd. Recent is zelfs aangetoond dat in een nieuw materiaal grafeen,
bestaande uit een atoomdik enkel laagje grafiet, dit Quantum Hall Effect bij kamertemperatuur
zichtbaar is, maar deze waarneming vereiste wel magneetveldwaardes van 30 T zoals
die in het HFML beschikbaar zijn.
Experimenteel gezien manifesteert het FQHE effect zich op een analoge wijze, namelijk
verdwijnend geleidingsvermogen en gequantiseerde Hall-weerstand bij bepaalde waarden
van het magneetveld. De waarden van dit magneetveld zijn precies die waarbij een oneven
fractie (1/3,1/5,2/3,3/5,….) van de aanwezige eB/h toestanden per niveau bezet zijn. Het
duidelijkst is dit waarneembaar wanneer alle elektronen zich in het laagste gequantiseerde
niveau bevinden, d.w.z. bij zeer hoge velden. Omdat de elektronbeweging volledig gequantiseerd
is, d.w.z. alle elektronen hebben nagenoeg dezelfde energie, wordt het effect van
onderlinge afstoting van de elektronen erg belangrijk. Het blijkt dat onder deze omstandigheden
het energetisch voordelig is voor de elektronen om niet meer willekeurig in het
vlak verdeeld te zijn, maar gecorreleerde ruimtelijke posities in te nemen, ongeveer zoals in
een vloeistof. Dit wil zeggen dat naburige elektronen ongeveer op dezelfde afstand zitten,
terwijl de positie van volgende buren geleidelijk aan steeds meer willekeurig wordt. Deze
quantum-correlaties in hoge velden vormen een van de meest spectaculaire manifestaties
van elektron-elektron wisselwerking en daarom is er ook een Nobelprijs voor toegekend.
Naast het eigen onderzoek heeft het HFML ook een belangrijke rol als internationale
faciliteit voor externe gastonderzoekers. Jaarlijks worden ongeveer 40 verschillende projecten
uitgevoerd waarvan driekwart met gastonderzoekers. Om deze reden geniet het HFML
steun van de stichting FOM voor Nederlandse onderzoekers en de EU-kaderprogramma’s
voor bezoekers uit andere lidstaten. In dit opzicht is het HFML een uniek Nederlandse
faciliteit van internationale allure.
Samen met het laboratorium in Grenoble, waar ook continue velden gemaakt worden, en
de pulsveldlaboratoria in Dresden en Toulouse, heeft het HFML het initiatief genomen
gezamenlijk een Europees laboratorium the vormen: het European Magnetic Field
Laboratory. Dit EMFL maakt deel uit van de Europese Roadmap voor internationale
Europese faciliteiten van het European Strategic Forum for Research Infrastructures.
Tot een dergelijke Roadmap is ook in Nederland besloten en het HEFL is daarop
gezet. Er is alle kans dat het HFML zal uitgroeien tot een van de weinige internationale
onderzoeksfaciliteiten op Nederlandse bodem.
Zeer hoge magneetvelden: hoe en waarom?