Gebroken lading; Experiment toont ladingsfracties in vaste stof

SINDS ROBERT MILLIKAN in 1917 in zijn klassieke experiment met zwevende oliedruppeltjes tussen geladen platen vond dat lading steevast een veelvoud is van een eenheidsportie, staat het elektron te boek als de drager van de elementaire lading -e. Weliswaar bezitten de quarks van de jaren zestig en zeventig ladingen van + e en - e, maar die komen niet los voor.

Toen Robert Laughlin in 1982 in zijn verklaring voor het juist ontdekte gefractioneerde quantum Hall effect 'quasideeltjes' postuleerde met lading e, was dat dan ook een gewaagde veronderstelling. Deze week publiceert Nature zijn gelijk.

Het Hall-effect treedt op als loodrecht op een elektrische stroom een magneetveld wordt gezet. De Lorentzkracht trekt de bewegende lading naar één kant zodat dwars op de geleider een spanning ontstaat, in grootte evenredig met de sterkte van het aangelegde magneetveld. In 1980 ontdekte Klaus von Klitzing bij een experiment in het hoge magneetveldenlaboratorium in Grenoble dat het Hall-geleidingsvermogen (stroom gedeeld door Hall-spanning, het omgekeerde van de Hall-weerstand) onder bepaalde omstandigheden gequantiseerd is: bij het toenemen van het magneetveld neemt het in stappen toe ter grootte van een nauw bepaalde basisportie. Dit quantum-Hall-effect vergt, naast een sterk magneetveld, extreem lage temperaturen en het optreden van een dunne laag waarin elektronen min of meer vrij kunnen bewegen. In de praktijk is zo'n geïsoleerd tweedimensionaal elektronengas te realiseren nabij het grensvlak van twee verschillende typen halfgeleiders.

Twee jaar na de ontdekking van Von Klitzing (in 1985 bekroond met de Nobelprijs) vonden Tsui, Störmer en Gossard in Cambridge (Massachusetts) dat het Hall-geleidingsvermogen in extreem sterke magneetvelden behalve een heel aantal keren de eenheidsportie ook oneven fracties als , , of kon aannemen: het gefractioneerde quantum-Hall-effect. Toen de bestaande theorie - die met het gewone quantum-Hall-effect prima uit de voeten kon - geen soelaas bood, opperde Laughlin dat de elektronen onder invloed van het sterke magneetveld interacties aangaan die tot groepsgedrag aanleiding geven, een mechanisme dat ook optreedt bij supergeleiding. Het gevolg is dat er quasideeltjes ontstaan met lading e die zich net als de losse elektronen in het tweedimensionale systeem kunnen verplaatsen. In de praktijk stromen ze alleen langs de rand omdat verontreinigingen in het kristalrooster - onontkoombaar en essentieel in het optreden van het quantum-Hall-effect - ze middenin vastpinnen.

Het is deze gefractioneerde elementaire lading die nu door een onderzoeksgroep van het Weizmann Instituut in Israel experimenteel is aangetoond. R. de-Picciotto et al. maakten hun tweedimensionale elektronengas door kristallen van GaAs en AlGaAs (Ga = gallium, As = arseen, Al = aluminium) tegen elkaar te plaatsen. Dwars op de stroomrichting in deze 'hetero-verbinding' dampten ze twee metalen elektrodes met een negatieve spanning. Zo ontstaat een elektronische barrière, een soort 'kraan' die de stroom in het tweedimensionale systeem (voor een deel) in richting doet omkeren. Dat veroorzaakt minieme variaties in de stroomsterkte die een elektronische resonantiekring oppikt en naar een versterker stuurt.

HAGELBUI

Dit principe van quantum shot noise vergelijkt Nature met een hagelbui op een zinken dak. Hoor je een continue ruis, dan gaat het klaarblijkelijk om kleine frequent vallende stenen, neem je losse stevige tikken waar dan betreft het stenen als duiveneieren: de variatie in de geluidssterkte verraadt de grootte van de korrels. Op vergelijkbare wijze geven variaties in de gemeten stroomsterkte in het tweedimensionale elektronengas een directe blik op de lading van de stroomvoerende deeltjes.

De onderzoeksgroep van het Weizmann Instituut plaatste het kristal met afknijpbaar elektronengas samen met de extreem gevoelige resonantiekring in een helium-mengmachine die het geheel tot 0,050 graden boven het absolute nulpunt (-273 °C) afkoelde. Via een coaxkabel was het preparaat verbonden met een voorversterker in een bad van vloeibaar helium, alles om ongewenste ruis de kop in te drukken. Met supergeleidende stroomspoelen werd op het elektronengas een magneetveld gezet tot maximaal 14 tesla (ter vergelijking: het aardmagnetisme heeft in Nederland een sterkte van 0,000047 tesla). Analyse van de ruis in de stroom bracht onomstotelijk aan het licht dat de lading van de stroomvoerende deeltjes een grootte had van e. Gefractioneerde lading, zo is de conclusie, is niet langer het exclusieve domein van de elementaire deeltjesfysica, in condities waaronder het gefractioneerde quantum-Hall-effect optreedt heeft ook de vaste stof ermee te rekenen.