Fysici van de Technische Universität München en de Universiteit zu Köln hebben in mangaan-silicium in nieuwe vorm van een magnetische ordening ontdekt. Ze konden het rooster van magnetische werveldraden, over het bestaan waarvan reeds lang werd gespeculeerd, zichtbaar maken met neutronen van de neutronenbron van het Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) van de Technische Universität München . De ontdekking beantwoordt een oude vraag over bouwstenen van het universum en sluit aan op nieuwe ontwikkelingen in de magnetische dataverwerking.
Eigenlijk moest Sebastian Mühlbauer (foto) van de Lehrstuhl für Experimentalphysik in München iets heel anders meten aan de verbinding van mangaan en silicium. Maar andere onderzoekers vergaten te vragen om de meet opstelling om te bouwen. Daardoor stond het magneet magnetisch parallel op de elektronenstraal in plaats van loodrecht, zoals was gepland voor de metingen.
Mühlbauer zag op het beeldscherm echter een ring van zes punten in plaats van de verwachte twee punten. Het zeshoekige patroon was zichtbaar bij een temperatuur van -245°C en een magnetisch veld van 0,2 Tesla, wat overeenkomt met het veld van een sterke permanente magneet. Theoretisch fysici in Keulen rekenden de magnetische werveling, die in München met neutronen gemeten was, na.
MIRA
De onderzoekers hebben hun metingen gedaan met neutronen met het MIRA instrument aan de onderzoeksneutronenbron Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) van de Technische Univresität München. Het meetinstrument is gemakkelijk is om te bouwen voor verschillende meetprocessen.
De neutronen die een magnetisch moment dragen, komen in MIRA als een straal op het proefstuk. Ze worden door het magnetisch moment in het proefstuk afgebogen(de wervelingen). Door de afwiijing geven ze uitsluitsel over de magnetische structuur in het inwendige van het proefstuk. Op deze manier maakten Sebastian Mühlbauer en zijn collega’s de abnormale werveldraden in mangaan silicium zichtbaar.
Grafische weergave van de structuur van de werveldraden aan het oppervlak van mangaansilicium.
Werveldraden
De werveldraden zijn erg ongewoon. Het is alsof het metaal een magnetische soep is waarin zich stabiele kwantumknooppunten vormen. Nog opvallender is het echter dat dezewervel draden steeds in de lengterichting van een magneetveld gericht zijn. Ze buigen totaal niet om de kristalstructuur heen, Ze gedragen zich als partikels die zich in een vast lichaam vrij kunnen bewegen.
Onderzoekers van beide universiteiten hebben een verklaring ontwikkeld hoe de werveldraden tot stand komen. De magnetische momenten in het mangaansilicium hebben normaliter een spiraalvorm. Liggen echter drie van dergelijke structuren in de sterren stervormig over elkaar heen, dan ontstaan daaruit uiteindelijk de wervelingen.
Fysici doen al zo’n twintig jaar onderzoek aan het harde en poreuze mangaansilicium. Het is heel geschikt voor magnetische metingen en er zijn gemakkelijk losse kristallen van te maken. Zo zijn bij onderzoeken Cambridge, Grenoble en Karlsruhe abnormale metaalachtige eigenschappen ontdekt aan mangaansilicium. De ontdekking van de wervels verklaart mogelijk ook waar het abnormale metaalachtige gedrag vandaan komt.
Historie en toekomst
De magnetische werveldraden zijn ook op heel andere gronden interessant. Al in de jaren vijftig van de vorige eeuw had de Nobelprijswinnaar Heisenberg uit Munchen voorgesteld om een theorie te zoeken voor de bouwstenen van het universum waarbij deze bouwstenen als knooppunten in een medium worden beschreven.Dit idee werd door de Britse fysicus Tony Skyrme in de jaren zestig opgepakt. De door hem voorgestelde deeltjes werden daarom ‘skyrmionen’ genoemd. Zuiver wiskundig bekeken zijn de ontdekte magnetische wervelingen zulke skyrmionen.
Het belangrijkste aan de magnetische werveldraden zou kunnen zijn dat de ontdekking veel nieuwe toepassingen belooft. De onderzoekers vermoeden dat mangaansilicium het enige magnetische materialen is dat deze werveldraden vormt. Al twintig jaar geleden werd voorspeld dat de magnetische knooppunten die nu ontdekt zijn, in veel materialen zouden moeten voorkomen. Als de wetenschap leert om het ontstaan van de knooppunten te sturen, kan men een volledig nieuw proces ontwikkelen om informatie te verwerken en op te slaan met behulp van magnetisme.
Topologie
De wiskundige discipline waarmee de skyrmionen worden beschreven, heet topologie. Deze houdt zich bezig met geometrische lichamen die niet worden veranderd door uitzetten, stuiken of verdraaien. De topologie beschrijft bijvoorbeeld, dat men een donut in het koffiekopje kan omvormen. In het materiaalonderzoek en de vaste stof fysica beleefden de topologie sinds kort zijn doorbraak. Wetenschappers van Princeton University ontdekten recentelijk een topologische isolator aan de oppervlakte van een bismut- antimoon mengsel. Het metaal wordt aan de oppervlakte elektrisch isolerend, terwijl de elektronenbeweging topologische knooppunten vormt. De werveldraden in de ruimste zin zijn ook een pendant in de elektronische structuur, wat weer volledig nieuwe toepassingen in bijvoorbeeld de quantum computing belooft.
