Radboud Universiteit Nijmegen


Kwantumparadox in dunste laagje grafiet

De beroemde Klein-paradox die voorspelt dat snel bewegende elektronen dwars door obstakels heen kunnen vliegen is tot nu toe alleen in theorie te onderzoeken. Daar komt verandering in. Grafeen, een kortgeleden ontdekte variant van grafiet, is geschikt om het fenomeen op aarde te toetsen. Nature publiceert de onderzoeksopzet van prof. Katsnelson van het Institute for Molecules and Materials van de Radboud Universiteit Nijmegen in september. Nu al online.

Grafeen is een bijzonder molecuul. Het bestaat uit schijfjes koolstof van één atoom dik. Vorig jaar werden exotische eigenschappen van grafeen ontdekt: elektronen kunnen door het materiaal bewegen alsof ze geen massa hebben, met een snelheid van ongeveer een miljoen meter per seconde. Deze eigenschappen lijken ook een ander effect mogelijk te maken, vergelijkbaar met de Klein Paradox, waarvan tot nu toe werd aangenomen dat die alleen voorkwam in extreme condities van bijvoorbeeld zwarte gaten. Prof. Mikhail Katsnelson, theoretisch natuurkundige van het Institute for Molecules and Materials van de Radboud Universiteit Nijmegen en Kostya Novoselov en Andre Geim van de University of Manchester publiceren hun berekingen in september in Nature Physics. Het blad wilde het nieuws echter niet zo lang bewaren en publiceerde 20 augustus al online.

De Klein-paradox werd in 1929 door Oskar Klein geformuleerd om de bizarre implicaties te onderstrepen van Paul Diracs berekeningen om kwantummechanica en relativiteitstheorie samen te brengen - een kwestie die tot op heden actueel is. Een consequentie van deze Klein-paradox is dat als snelbewegende elektronen een erg sterke barrière tegenkomen ze er toch gewoon doorheen bewegen in plaats van af te ketsen. Het fenomeen wordt veel besproken in de context van deeltjes-, kern- en astrofysica, maar het direct testen was tot nu toe onmogelijk.

De auteurs publiceren nu een ontwerp voor een simpel bench-top experiment om het fenomeen te testen met elektrostatische barrières in grafeen met één of twee laagjes atomen. Het is een veelbelovende aanwijzing hoe grafeen op korte termijn een rol kan gaan spelen om eerder niet experimenteel te onderzoeken fundamentele natuurkundige eigenschappen te toetsen. Ook laten de drie natuurkundigen methoden zien om electronen te controleren in transistoren van grafeen.

M. I. Katsnelson, K. S. Novoselov and A. K. Geim; Chiral tunnelling and the Klein paradox in graphene. Nature Physics advance publication: 20 August 2006

Prof. Katsnelson is hoogleraar theoretische natuurkunde bij het Institute for Molecules and Materials (IMM) en bekend als auteur van het standaardwerk "Quantum Solid State Physics". Andre Geim kreeg in zijn IMM-periode bekendheid met het experiment met de zwevende kikker, dat hem de igNobel-prijs opleverde (the prize that first makes you laugh and then makes you think) en het laboratorium voor hoge magneetvelden (HFML) eeuwige roem. Ook Kostya Novoselov promoveerde bij het HFML.