In het laboratorium van de Universiteit van Chicago hebben wetenschappers een onverwacht gedrag van elektronen in het gelaagde magnetische materiaal Fe₅GeTe₂ ontdekt: miljoenen deeltjes bewegen samen uiterst langzaam, maar behouden daarbij hun kwantumcoherentie. Dit verschijnsel is in tegenspraak met de bestaande theoretische modellen en opent de weg naar nieuwe soorten geheugens.
Het materiaal Fe₅GeTe₂ behoort tot de familie van van-der-waalsmagneten, die in de vorm van atomair dunne lagen kunnen worden verkregen. De onderzoekers onder leiding van professor Shuolong Yang gebruikten de methode van foto-elektronspectroscopie met hoekresolutie. Zij bestraalden het monster met een ultravioletlaser op een gebied van slechts 10 micrometer en zagen een vlakke elektronenzone — een teken dat de elektronen bij hun beweging door het materiaal bijna niet worden versneld.
Onder gewone omstandigheden gedragen elektronen in een geleider zich als water dat van een steile helling stort. Hier is de helling echter bijna horizontaal: de deeltjes verplaatsen zich duizenden keren langzamer, maar werken daarbij samen als één kwantumensemble. ‘We meten niet één elektron, maar de wisselwerking van duizenden of miljoenen, en die bewegen allemaal coherent,’ verduidelijkt Yang.
Dit gedrag blijft behouden tot een temperatuur van 100 kelvin boven het absolute nulpunt — een betrekkelijk hoge waarde voor kwantumeffecten. Dat maakt het materiaal veelbelovend voor praktische toepassingen, al is het nog ver verwijderd van kamertemperatuur. De wetenschappers onderzoeken al de mogelijkheid om toestanden met behulp van een laser om te schakelen, wat de basis zou kunnen vormen voor een niet-vluchtig geheugen van een nieuwe generatie.
De ontdekking dwingt tot een herziening van het beeld van de magnetische wisselwerkingen binnen Fe₅GeTe₂. Theoretici moeten nu opnieuw beschrijven hoe de magnetische structuur van deze stof is opgebouwd. Tegelijkertijd zijn experimentatoren van plan de eigenschappen in een éénatomige laag te onderzoeken — juist in die vorm zou het materiaal toepassing kunnen vinden in toekomstige kwantumapparaten.
Het werk is opgedragen aan de nagedachtenis van de vooraanstaande theoreticus Peter Littlewood, die een grote bijdrage heeft geleverd aan het onderzoek naar kwantummaterialen. De resultaten zijn gepubliceerd in Science Advances en hebben al de belangstelling gewekt van specialisten op het gebied van tweedimensionale magneten.
