Materialen krijgen ‘vreemde’ eigenschappen door laserlicht

Laserlicht

Met uitgekiende pulsschema’s voor lasers zouden geleidene materialen isolatoren worden en omgekeerd (afb: phys.org)

Als je laserlicht laat vallen op een materiaal dat normaal een isolator is dan zou dat wel eens kunnen veranderen in een geleider en omgekeerd. Dat hebben natuurkundigen in de VS en het VK berekend. Dat effect zou het gevolg zijn van ‘kwantumsturing’, het idee dat het gedrag van een systeem kan worden beïnvloed door het aanwenden van een in de tijd veranderend veld. In de toekomst zouden gewone huis-, tuin- en keukenmaterialen op die manier wel eens kunnen worden omgetoverd tot supergeleiders speculeren de onderzoekers. Ik vraag me ernstig af hoe praktisch zoiets kan zijn.
Als het systeem in evenwicht is, dan wordt het gedrag daarvan bepaald door zijn eigenschappen. Verschillende legeringen van goud en ijzer hebben verschillende chemische, elektrische en magnetische eigenschappen. Volgens Gerard McCaul van de Tulane-universiteit in New Orleans kunnen die eigenschappen veranderd worden door de materialen bloot te stellen aan in de tijd veranderende elektromagnetische velden met behulp van, bijvoorbeeld, lasers. “Dat kan elke eigenschap zijn als je maar weet met welk wisselveld je dat kan verwezenlijken.”
McCaul heeft samen met zijn Tulanecollega Denys Bondar en onderzoekers van het King’s College in Londen en van het Amerikaanse legerlab in Maryland een theoretisch raamwerk opgezet om de eigenschappen van een systeem te veranderen met behulp van een laser. Die sturing wordt al toegepast. Zo zouden radiofrekwente pulsen gebruikt worden om kwantumbits in de juiste toestand te krijgen in kernmagnetische-resonantieproeven.
Drie jaar geleden hebben Bondar, Herschel Rabitz en andere onderzoekers van de Princetonuniversiteit theoretisce aangetoond dat kwantumsturing gebruikt kan worden om twee verschillende fysische systemen identiek te maken. Het ging om argon- en waterstofatomen. Als er een laserpuls werd afgeschoten op een waterstofatoom, dan zou dat precies het hetzelfde spectrum uitstralen als een argonatoom, zo berekenden de onderzoekers.

Nu hebben McCaul en de zijnen dat idee uitgebreid naar een ingewikkelder systeem: vaste stof. Daarbij maakten ze gebruik van het Fermi-Hubbardmodel, een ‘uitgeklede’ versie van een vaste stof met een rooster van wisselwerkende elektronen. Dat model kan voorspellen wat de eigenschappen van het materiaal worden eenvoudigweg door de kinetische en potentiële energie van de elektronen te vergelijken.
Als een materiaal wordt bestookt door laserlicht dan absorbeert dat lichtenergie. Dat zet de elektronen aan tot beweging. Die op hun beurt kunnen weer licht genereren (=energie afgeven).
Hoe dat gebeurt is afhankelijk van de eigenschappen van het materiaal. Is het een isolator of een geleider? De onderzoekers zouden theoretisch hebben aangetoond dat het mogelijk is de velden op zo’n manier te variëren dat het emissiespectrum van een geleider verandert in dat van een isolator en omgekeerd. Het moet, zo verwachten ze, ook in de praktijk mogelijk zijn.

Niet alles

McCaul stelt dat op die manier niet alles met een laser is te veranderen. Zo is het niet mogelijk om de massa van een proton, een onderdeel van de kern van een atoom, te veranderen. De meeste materiaaleigenschappen hebben echter een elektromagnetische basis en zouden dus via precieze wisselvelden van laserlicht veranderd kunnen worden, denkt hij.

Wat verder weg is de ‘omvorming’ van gewone materialen tot supergeleiders, stoffen die geen elektrische weerstand hebben. Volgens medeonderzoeker George Booth van het King’s College wordt supergeleiding niet geheel gedefinieerd door de optische eigenschappen van een systeem. Toch denkt ie dat het mogelijk is een laserpulsschema te ontwikkelen zodat het ene systeem de supergeleidende eigenschappen van een ander supergeleidend systeem nabootst. Als je nog meer wilt weten: er zijn twee artikelen verschenen; het ene artikel is verschenen in Physical Review Letters en een tweede in Physical Review A..

Bron: phys.org

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.