Aharonov-Bohm Effect gemeten in Delftse draadjes

Elektronen die zich voortbewegen in een stroomdraadje hebben het verre van gemakkelijk. Als blinden in een doolhof botsen ze voortdurend overal tegenaan, worden ze van richting veranderd, afgeremd, en weer op gang gebracht.

Effectief plant een elektrische stroom zich dan ook maar met een snelheid van een paar millimeter per seconde voort. Dat wordt totaal anders wanneer de afmetingen van het stroomdraadje kleiner en kleiner worden. De quantummechanica leert dat dan ook het golfkarakter van elektronen een rol gaat spelen: er treedt interferentie op en de elektronengolven kunnen zichzelf uitdoven of versterken. In de groep van Hans Mooij aan de Technische Universiteit van Delft is de afgelopen vier jaar door Alexander van Oudenaarden onderzoek gedaan aan dit soort exotische fenomenen. De resultaten van zijn studie naar misschien wel een van de vreemdste quantummechanische verschijnselen, het Aharonov-Bohm effect, werd donderdag gepubliceerd (Nature, 20 feb).

Aharonov en Bohm voorspelden al in 1959 dat de beweging van een geladen deeltje kan worden beïnvloed door een elektrisch of een magnetisch veld, zonder dat het deze direct voelt. Hoewel deze voorspelling op veel ongeloof stuitte, is het AB-effect sindsdien talloze malen waargenomen.

Niemand was er echter nog in geslaagd om het tegelijkertijd in een magneetveld en een elektrisch veld waar te nemen. Daartoe werd in Delft een minuscule elektrische stroomkring gefabriceerd met draadjes niet dikker dan zo'n honderd nanometer, door gebuik te maken van technieken die ook worden toegepast bij de productie van chips. De aluminium stroomkring werd op twee plaatsen onderbroken door een barrière van het veel slechter geleidende aluminiumoxide. Dit preparaat werd vervolgens afgekoeld tot een paar honderste graad boven het absolute nulpunt. Een elektron dat onder invloed van een aangelegd elektrisch veld een van de barrières passeert, laat in het aluminium een 'gat' achter, waarna beide hun dronkemanswandeling door het aluminiumrooster beginnen. Nu is er een zekere kans dat ze elkaar weer tegenkomen bij de andere barrière. Daar treedt dan interferentie op. Of ze elkaar echter versterken of uitdoven is afhankelijk van de sterkte van het elektrisch veld. Als deze wordt gevarieerd begint de stroom te oscilleren: de zogenaamde AB-oscillaties.

Een zelfde effect treedt op wanneer ook nog een veranderend magneetveld loodrecht op de stroomkring wordt aangelegd. De grootte en de precieze plaats van de oscillaties bleek prachtig met de theorie overeen te komen. Bovendien kon voor het eerst direct de snelheid worden bepaald waarmee de elektronen hun tocht volbrengen.

Quantumverschijnselen als het AB-effect zijn meer dan speelgoed voor fundamentele natuurkundigen. Elektronische schakelingen worden almaar kleiner, hetgeen nu al grote problemen met zich meebrengt: zo kost het veel hoofdbrekens om de gegenereerde warmte snel genoeg af te kunnen voeren. Het lijkt dan ook onvermijdelijk dat in de toekomst op een heel andere manier over transistoren en andere componenten zal moeten worden nagedacht, en dat quantuminterferentie daar een grote rol bij zal spelen staat nu al vast.