Hoe zou het zijn om een reis naar de kern van de aarde te maken? Vergeet onzin als de speelfilm Core. De druk op grotere diepten is extreem hoog: gigapascals en meer, dus duizenden atmosfeer. [1] Het meest hittebestendige materiaal, hafniumcarbonitride, kan de temperatuur aan, zij het met moeite[2]. In het echt kunnen we dus nog niet een vaartuig bouwen, waarmee we door het gesmolten binnenste van onze planeet kunnen reizen. In onze fantasie kan dat gelukkig al wel.
Als voorproefje een snelle tear down van elk belangrijk hemellichaam in het zonnestelsel. Om te beginnen met het centrale punt van het zonnestelsel: de zon. Ook Mercurius en andere planeten komen aan de beurt.
Hoe zou de aarde er op honderd kilometer diepte uit zien? Op duizend kilometer? En in de gloeiendhete metalen bol, die de kern van de aarde vormt? In deze documentaire van National Geographic maken we een reis van anderhalf uur lang naar het binnenste deel van de aarde: de withete binnenkern.
Reis naar de kern van de aarde – belangrijker dan het lijkt
Langzamerhand stolt de binnenkern, waardoor de vloeibare buitenkern steeds dunner wordt. Dat is slecht nieuws. De stromingen in de buitenkern worden daardoor steeds zwakker, en hiermee het aardse magneetveld. Dit gaat een probleem worden ongeveer een miljard jaar na nu. Want zonder magneetveld maken zonnevlammen korte metten met onze lucht en water. Maar gelukkig is een miljard jaar een lange tijd. We hebben dus nog wel even de tijd om een oplossing te vinden voor dit probleem.
Opvallend is de dunne korst. Een reis naar de kern van de aarde stopt dus in werkelijkheid al snel. Toch speelt ons leven zich af op en in dit dunne laagje. Bron: Kelvinsong – Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=23966175
Een internationale groep van Zwitsers, Koreanen en Amerikanen ontwikkelde microrobots die door plaque in verstopte aderen kunnen boren. Kan dit de dotterbehandeling vervangen?
De ‘robotjes’ zijn simpele clusters magnetisch geladen bolletjes, die door een wisselend magnetisch veld in beweging worden gebracht. Er zit geen motortje in. De zwemmers (onder) zijn geïnspireerd op de ziekteverwekkende bacterie Borellia burgdorfii, zie bovenste deel van de afbeelding. De bolletjes bestaan uit een ferromagnetisch materiaal, dat geen afweerreactie opwekt en afbreekt in het lichaam.
Deze microzwemmerrobots doorboren de verstopping in aderen, waar chirurgen niet bij kunnen. Bron: Drexel University, USA
Niet bekend is of de onderzoekers rekening hebben gehouden met de verwoestende kracht, die de enorme magneetvelden van een MRI-scanner op achterblijvende ferromagnetische brokstukjes uitoefenen, maar mogelijk zijn deze zwemmers zo klein dat ze binnen enkele uren tot dagen oplossen, zodat dat probleem niet speelt.
Na kanker zijn hart- en vaatziekten de belangrijkste doodsoorzaak in het welvarende deel van de wereld. Wordt dit principe ontwikkeld tot een effectieve behandelmethode, dan kan dit veel mensenlevens redden en ziekten voorkomen.
De onderzoekers zelf schatten dat de zwemmers de effectiviteit van behandelingen vergroten van 60% naar 80-90%.
Voor het eerst is het gelukt om stukjes grafeen een permanente magnetische lading te geven, zonder dat het atoomdikke kippengaas van koolstofatomen moet worden vervuild met andere atomen. Wat zijn de mogelijkheden?
Duur wondermateriaal
Sinds de ontdekking van grafeen heeft het materiaal al de nodige records gebroken. Zo is het het sterkste materiaal ter wereld en heeft het ook het hoogste specifieke oppervlak. Slechts één ding weerhoudt de industrie van de massale toepassing van grafeen: de lastige en zeer kostbare productiemethode, al zijn ook op dit terrein nu doorbraken bereikt die de kosten met factor 1000 kunnen verminderen. Wat grafeen, zelfs na deze prijsdaling met €1 miljoen per vierkante meter nog steeds erg duur maakt. Maar gezien het grote aantal slimme mensen dat zich nu vastbijt op een goedkope productiemethode, zal dat niet al te lang meer duren. Slagen we erin deze kosten te laten dalen tot, zeg, €1 per vierkante meter, dan is het aantal toepassingen werkelijk krankzinnig groot.
Elementaire magneetjes in grafeen. Bron: UC-R.
Magnetisch grafeen
Aan deze toepassingen kan er nu eentje worden toegevoegd: het opslaan en verwerken van informatie. Jing Shi en zijn mede-onderzoekers van de University of California, Riverside, hebben grafeen met magnetische eigenschappen gecreëerd. Hiervoor plaatsten ze een stukje grafeen op het magnetische mineraal yttrium-ijzer granaat (YIG in de afbeelding). Er zijn andere materialen die de magnetische eigenschappen van grafeen kunnen veranderen, maar yttrium-ijzer granaat geleidt geen stroom. Daardoor worden de aantrekkelijke elektrische eigenschappen van grafeen niet veranderd. Als het grafeen weer wordt losgepeuterd, blijkt het nog steeds magnetisch te zijn. Omdat het grafeen chemisch gezien ongewijzigd is, moet het grafeen zelf magnetisch zijn geworden.
Spintronics
Onderzoekers zien een belangrijke toepassing in spintronics: elektronica, waarin signalen niet door worden gegeven door bewegende elektronen, maar ompolende magneetveldjes. Isospin is een kwantumeigenschap, die ruwweg overeenkomt met draairichting. Deeltjes en quasideeltjes met isospin kunnen twee, tegengestelde, richtingen op tollen, met slechts één snelheid. We praten dan dus over elektronica op atoomschaal, een factor 100 kleiner dan chips in 2015 , of factor 10.000 meer eenheden per vierkante mm. Grafeen zou ook gebruikt kunnen worden als magnetisch opslagmedium van informatie. Spintronics is ook veel zuiniger dan klassieke elektronica omdat elektronen niet stromen en er dus nauwelijks afvalwarmte wordt geproduceerd. Je smartphone of laptop kan dan opgeladen worden door bewegingen die je maakt.
Elektromotoren en elektrische dynamo’s zoals in windmolens zijn alle afhankelijk van vooral twee elementen: neodymium en dysprosium. Alleen metaallegeringen met deze twee ‘zeldzame aarden’ leveren magneten op die voldoende sterk en licht zijn voor efficiënte elektromotoren. China, verreweg de belangrijkste producent, draait nu de kraan dicht omdat het land de schaarse dysprosiumvoorraden vooral aan de eigen industrie gunt. Vinden we op tijd alternatieven?
Links een neodymiummagneet, rechts een ouderwetse ferromagneet, Beide magneten hebben voldoende trekkracht om 3 kg zwevend te houden.
Waarom zijn neodymium en dysprosium zo belangrijk?
Neodymium en dysprosium zijn allebei atoomelementen die behoren tot de groep zeldzame aarden. Erg zeldzaam zijn ze weliswaar niet, er is bijvoorbeeld ongeveer evenveel neodymium als koper of nikkel op aarde, maar het probleem is dat er maar weinig operationele mijnen zijn waar deze metalen gewonnen worden. Tot begin jaren negentig waren beide metalen obscure stoffen, die slechts voor een handvol toepassingen werden gebruikt, maar dat veranderde toen metallurgen opmerkelijke eigenschappen ontdekten. Zo creëerden ze van neodymium-legeringen de sterkste permanente magneten ooit. Vooral als een snuifje dysprosium toegevoegd wordt, neemt de sterkte van het magneetveld enorm toe, tot 1,3 tesla en verbetert de stabiliteit bij hogere temperaturen. Als je bedenkt dat het magneetveld in een MRI-scanner, dicht in de buurt van het sterkste permanente magneetveld dat wetenschappers kunnen opwekken, rond de 15 tesla sterk is, besef je hoe extreem sterk deze magneten zijn. Als zeldzame aarden-magneten op elkaar afvliegen versplinteren ze elkaar door de enorm sterke aantrekkingskracht, wat ernstige ongelukken kan veroorzaken. Deze sterke, lichte magneten maken de elektromotoren waar ze deel van uitmaken ook sterk en licht, wat ze gewild maakt in bijvoorbeeld windmolens en elektronische auto’s. Deze slokken werkelijk enorme hoeveelheden van deze metalen op.
Chinees monopolie
China beschikt over een bijna-monopolie op deze zeldzame aardmetalen. Maar liefst 99% van alle neodymium komt uit Chinese mijnen. In de jaren negentig en later concurreerden de goedkoop producerende Chinese mijnen de concurrentie uit de rest van de wereld weg. Nu de vraag naar windmolens en zuinige, lichte elektronotoren explosief stijgt, stijgt ook de vraag naar neodymium en dysprosium enorm. China heeft om die reden hoge exportheffingen opgelegd om zo fabrikanten van magneten en elektromotoren te dwingen naar China te komen. Vanzelfsprekend zijn andere industriële grootmachten, zoals de EU, Japan en de VS, hier verre van blij mee. Echter, erg veel zin om in te binden hebben de Chinese leiders met dit letterlijk meer dan ijzersterke (Neo magneten zijn, zie plaatje, ordes van grootte sterker dan ferromagneten) onderhandelingsmiddel begrijpelijkerwijs niet, dus broeden de Amerikanen op alternatieven. Zo worden er nu in Canada en Australië ooit uit bedrijf genomen mijnen met zeldzame aarden weer in gebruik genomen. Of dit op tijd zal zijn, vragen critici zich echter af. Al voor 2015 wordt een structureel dysprosiumtekort verwacht, volgens een rapport van het Amerikaanse Ministerie van Energie. Ook als de Chinese overheid geen exportbeperkingen zou instellen, zou dit probleem spelen.
Alternatieve magnetische materialen?
De beste oplossing is uiteraard, om een superieur magnetisch materiaal te ontwikkelen dat bestaat uit veelvoorkomende chemische elementen als bijvoorbeeld koolstof, ijzer of nikkel. Het precieze proces waardoor complexere materialen magnetische eigenschappen gaan vertonen, is over het algemeen nog slecht begrepen. Er moeten zich bepaalde elektrische onevenwichtigheden vormen die periodiek bewegen waardoor er een permanent magneetveld ontstaat. Ferromagnetische materialen zoals ijzer en nikkel bezitten deze eigenschap van nature, door de eigenschappen van het atoom in kwestie. In bepaalde andere materialen komt magnetisme voor terwijl de atomen zelf niet magnetisch zijn. Op dit moment vindt er veel onderzoek plaats op dit gebied, waarbij supercomputers doorrekenen aan de hand van de berg aan bekende gegevens over atomaire samenstelling en magnetische eigenschappen van bepaalde materialen, hoe het magnetisme tot stand komt. Het aantal atoomelementen met magnetische eigenschappen is maar beperkt. Materiaalwetenschappers en metallurgen hopen door een ‘brute force’ benadering waarbij er werkelijk miljarden combinaties worden doorgerekend, op interessante kandidaten te stuiten – een materiaal dat zeer sterke magnetische eigenschappen heeft maarbestaat uit veel voorkomende atomen.
Op de middelbare school heb je geleerd dat er drie typen atoombinding bestaan: covalente binding, ionbinding en metaalbinding. Ook kunnen atomen nog aan elkaar kleven door waterstofbruggen of zwakkere Van der Waals-krachten, de reden dat water vloeibaar is. Dit blijkt echter slechts het topje van de ijsberg van mogelijke vormen van atoombindingen, wijst nieuw onderzoek uit. In de sterke magneetvelden rond neutronensterren komt er namelijk een bizarre magneetbinding voor. Kunnen we hier met telescopen sporen van ontdekken?
Zou zich bij de pulsar in het centrum van de Krabnevel magnetische materie schuilhouden? Bron: NASA
Magnetische moleculen
De op aarde bekende vormen van atoombinding zijn elektrisch van karakter. Bij ionbindingen trekken positief en negatief geladen groepen elkaar aan. Bij covalente bindingen vormen elektronen van verschillende atomen paren om zo de elektronenschil rond het atoom op te vullen. Uit theoretisch onderzoek blijkt nu echter dat er nog een derde type atoombinding mogelijk is: een magnetische binding, die andee moleculen oplevert dan we op aarde kennen. Op aarde kunnen we de extreme magneetvelden die hiervoor nodig zijn niet opwekken, maar sporen van hun licht kunnen we wel opvangen. Hun unieke spectrale handtekening geeft zo een redelijk valide bewijs voor hun bestaan. Al eerder was bekend dat zich een zwakke magnetische band kan vormen als het molecuul parallel aan de magnetische veldlijnen staat. In een nieuwe ontdekking stelde de groep vast, dat er een nog vee; sterkere magneetbinding mogelijk is als het molecuul dwars op het magneetveld staat. het model doet slechts een zeer klein aantal aannames, dus de kans is vrij groot dat deze magnetische moleculen zich werkelijk in de magneetvelden van neutronensterren schuilhouden. Heel opmerkelijk: zelfs helium, het extreemste edelgas dat we kennen dat werkelijk met geen enkel ander atoom reageert, blijkt een sterke magnetische binding te kunnen vormen.
Tienduizenden tesla
De moleculen vormen zich alleen in omstandigheden dat de magneetvelden duizenden malen sterker zijn dan we hier op aarde kunnen bereiken. Op aarde staat het record voor een langdurig magneetveld op veertig tesla. De sterkste permanente magneten bereiken op korte afstand ongeveer 1 tesla. Rond witte dwergsterren zijn de magnetische velden vele tienduizenden tesla, rond neutronensterren zelfs miljoenen tesla. In hun berekeningen gebruikte de groep de full configuration-interaction (FCI) rekenmethode, een nogal gecompliceerde, numerieke methode om de allesbeheersende Schrödingervergelijking op te lossen. Op deze manier komen alle mogelijke bindingsmogelijkheden boven water. Ze richtten zich op waterstof om twee goede redenen. Waterstof komt zeer veel voor en het is een zeer eenvoudig atoom: protium, de vorm waarin vrijwel alle waterstof voorkomt, bestaat uit één elektron en een proton.Bij lagere temperaturen en de afwezigheid van sterke magneetvelden vormt waterstof tweeatomige moleculen: H2, waarbij de twee elektronen worden gedeeld. Rond neutronensterren is het hiervoor veel te heet. Uit de FCI analyse blijkt dat de extreem sterke magneetveklden de elektronenwolken zo vervormen dat deze magnetisch worden: paramagnetisme. Gewoonlijk is paramagnetisme zwak, maar door de extreem sterke magneetvelden wordt het effect zeer sterk. Het gevolg hiervan was dat de waterstofatomen alsnog H2 moleculen vormden, echter niet door elektronen te delen, maar door magnetische aantrekking. Dit effect treedt ook op in helium. Zowel de waterstof- als heliummoleculen vielen uit elkaar zodra het magneetveld uitgeschakeld werd.
Spectrum van magnetische moleculen
Ieder molecuul heeft bepaalde frequenties waarop het elektromagnetische straling uitzendt of opvangt. Zo zie je twee felle gele lijnen als je het licht van natriumdamp door een prisma breekt. Door de unieke eigenschappen van magnetische waterstof- en heliummoleculen bieden deze sterk afwijkende spectraallijnen. Als deze magnetische moleculen inderdaad in voldoend grote hoeveelheden voorkomen in de atmosfeer van witte dwergsterren en neutronensterren, moeten sporen daarvan zichtbaar zijn. Ook kunnen zeer kortdurende gepulste magneetvelden worden opgewekt, bijvoorbeeld door een magnetische spoel waar veel stroom doorheen loopt, op te blazen. De onderzoekers hopen dat ze op die manier toch magnetische moleculen kunnen fabriceren.
Het aardse magnetische veld dreunt nog na van een enorme klasse-X7 zonnestorm, die een zeer grote plasmawolk richting de aarde afvuurde. Volgens sommige onderzoekers braken de massale Londense rellen en plunderingen in de tweede week van augustus 2011 uit als gevolg van de enorme plasma-ontlading die 5 augustus 2011 de aarde raakte. Maar… hoeveel bewijs is er voor deze opmerkelijke theorie?
De zon als oorzaak voor rellen?
Iedereen wijst met de vinger – naar blunderende politici, criminelen, boze jongeren, incompetentie bij de Londense politie, Libische geheime agenten of hebberige bankiers. Zou de werkelijke oorzaak de zon zijn? Bekend is dat zich op de zon geregeld enorme ontladingen vormen – coronale massa-ejecties (CME’s). Deze worden vervolgens de ruimte in geslingerd. Al drie keer eerder waarschuwde NASA voor zonnestormen die elektriciteitscentrales en stroomverdeelpunten kunnen laten doorbranden. Het noorderlicht was tijdens de zonnestorm van 5 augustus 2011 tot in Centraal-Europa, waaronder Londen, te zien volgens NASA.
Waren de rellen in Londen het geval van de enorme zonnestorm vlak daarvoor?
Het aardmagnetisch veld vibreerde nog dagen na: de Schumann-resonanties, met pieken op 7,83 (fundamenteel),14.3, 20.8, 27.3 en 33.8 Hz worden actiever waardoor meer extreem laagfrequente radiostraling wordt uitgezonden (denk aan enkele trillingen per seconde). Deze frequenties komen overeen met de frequentie van bepaalde typen hersengolven (alfa-, beta- en thetafrequenties), die qua frequentie ongeveer in hetzelfde bereik liggen. Volgens sommige grenswetenschappers kunnen deze geomagnetische stormen mensen beïnvloeden, hun stemming veranderen en door effecten op de stofwisseling van het lichaam mensen aanzetten tot ‘negatief gedrag’. Volgens enkele studies worden meer mensen wegens een depressie in een inrichting opgenomen tijdens een geomagnetische storm. Ook neemt het aantal zelfmoorden toe en maken handelaren eerder pessimistische keuzes, aldus een studie van de Bank van Atlanta uit 2003[1].
Het scenario loopt dan ongeveer als volgt. Door de zonnestorm worden vatbare mensen, ongeveer tien tot vijftien procent van de bevolking [2], gespannen en negatief ingesteld. Door de schuldencrisis en de bezuinigingen is de stemming onder het grootste deel van de bevolking in Londense probleemwijken toch al beneden het nulpunt. Een rel lijkt veel op een bosbrand. Er moeten voldoende mensen in de buurt zijn die mee willen rellen om een opstootje totaal uit de hand te laten lopen. Door de zonnestorm is dit percentage veel hoger dan normaal, waardoor een handjevol relschoppers snel aan kan groeien tot een leger.
‘Zonnestormen beïnvloeden beurskoersen’
Ongebruikelijk hoge niveaus van geomagnetische activiteit hebben een negatief, statistisch en economisch significant effect op de beurskoersen van de week erna op alle Amerikaanse aandelenindexen, volgens het rapport van de Federal Reserve Bank in Atlanta[1].
Het kan natuurlijk puur toeval zijn dat dit een zeer enerverende week op de markten is geweest en dat het Verenigd Koninkrijk werd geteisterd door een golf van heftige rellen en plunderingen, maar de over het algemeen nogal bijgelovige marktvolgers (astrologen doen goede zaken bij beurshandelaren) zijn blij dat het ruimteweer daarna rustiger is geworden. Daarmee is niet gezegd dat het rustig blijft. De zon wordt nu steeds actiever en zal de meeste activiteit vertonen in 2013. Deze geomagnetische storm was dus duidelijk niet de laatste.
Klopt de theorie?
Op het eerste gezicht lijkt het verband absurd. Immers, de golven zijn extreem zwak. Er is echter de laatste jaren aangetoond dat de hersenen zwakke elektromagnetische velden opwekken en neuronen zich met behulp hiervan gelijkrichten. Zie dit artikel. Van onder meer sommige vogels weten we dat ze het aardmagnetisch veld kunnen waarnemen. Waarom zou de mens niet over vergelijkbare zintuigen kunnen beschikken? Uit onderzoek bij mensen afkomstig van natuurvolken die een zogeheten geografische taal spreken, is bekend dat ze een fabelachtig oriëntatievermogen hebben. Zelfs wanneer ze geblinddoekt zijn en rond werden gedraaid, konden ze nog het noorden aanwijzen. Ook het empirische bewijs voor psychische effecten van zonneuitbarstingen uit diverse onderzoeken, zie bronvermeldingen, is indrukwekkend. Zouden de wijdverbreide plunderingen mede veroorzaakt zijn door een hersenblackout? Een mogelijkheid die het op zich waard is nader onderzocht te worden.
Alvaro Sanchez en zijn groep hebben bedacht hoe een antimagneet gebouwd kan worden. Antimagneten zijn erg handig voor bepaalde toepassingen. Zo kan je een materiaal totaal onzichtbaar maken voor magnetische velden. Ideaal voor lieden met snode plannen…
Metamaterialen: revolutie in de materiaalkunde
Een metamateriaal is een materiaal dat uit laagjes van verschillende andere materialen bestaat. De eigenschappen van metamaterialen kunnen door materiaalwetenachappers aan worden gepast naar wens, waardoor zeldzame metalen zijn te vervangen en zelfs compleet nieuwe materiaaleigenschappen zijn te ontwikkelen die van nature in geen enkel materiaal voorkomen.
Onzichtbaarheidsmantels
Zo is het in bepaalde metamaterialen mogelijk om licht om een voorwerp heen te sturen, waardoor het onzichtbaar wordt. Deze toepassing, cloaking, zal – zo vermoeden velen – een revolutie in de elektronica veroorzaken.
Behalve cloaking kunnen metamaterialen ook magnetische velden manipuleren. Een statisch magnetisch veld is domweg een elektromagnetische golf met een frequentie van nul hertz, dus een stilstaande golf. Dit is precies wat Alvaro Sanchez en zijn collega’s van de Universitat Autonoma de Barcelona in Spanje doen met hun ontwerp voor een ‘antimagneet’.
De basisingrediënten zijn twee materialen: een materiaal met een magnetische doorlaatbaarheid kleiner dan 1 in één richting en een doorlaatbaarheid groter dan 1 in een richting haaks daarop. Materialen met dergelijke eigenschappen zijn makkelijk te vinden. Supergeleiders, bijvoorbeeld, hebben een doorlaatbaarheid van nul. Een magnetisch veld kan niet door een supergeleider heendringen. Standaard magneten hebben een magnetisch doorlaatbaarheid groter dan 1.
Het magnetische veld ziet er exact hetzelfde uit zonder tweede magneet (a) en als de tweede magneet is afgeschermd door de antimagneet (c).
Zo bouw je een antimagneet
Het probleem is hoe in een materiaal deze tegenstrijdige eigenschappen tegelijkertijd zijn aan te brengen. Sanchez kreeg dat voor elkaar door ferro-elektrische schillen te bedekken met een supergeleidende laag. Hierdoor kregen ze iets opmerkelijks: een ding dat in staat is een magneet totaal af te schermen van de wereld er buiten. Zodra de temperatuur daalt onder de kritische temperatuur voor supergeleiding, zou het voor een waarnemer buiten lijken alsof een magneet in het voorwerp plotseling uitgeschakeld is.
Sanchez noemt zijn vinding een ‘antimagneet’ en ziet verschillende interessante toepassingen. Magnetische mijnen kunnen zo omzeild worden. Ook kunnen op deze manier pacemakers en andere medische elektronica beschermd worden tegen sterke magnetsiche velden, bijvoorbeeld als de patiënt een MRI-scan ondergaat. De volgende stap is duidelijk. Er een bouwen…
Hete Jupiters zetten waarschijnlijk alles wat we ons kunnen voorstellen onder bizarre hemelverschijnselen totaal in de schaduw. Check deze spectaculaire video.
De spookachtige gloed wordt veroorzaakt door de felle worsteling van het magneetveld van de hete Jupiter, een Jupiterachtige gasreus die dicht bij een ster staat, met een corona-uitbarsting en het magneetveld van de ster. Het gaat hier door de korte afstand tussen beide hemellichamen om werkelijk onvoorstelbare energieën.
Astronomen verwachten daarom dat er een spookachtige gloed zal hangen aan de nachtzijde van de hete Jupiter. Als een zonnevlam door het sterke magneetveld heenbreekt, kost het een paar uur voor de ontlading helemaal is verdwenen.
De poollichten vormen zich rond de evenaar en verplaatsen zich dan naar de rest van de planeet.
Onderzoekers zijn er in geslaagd uit meerdere andere atomen een nieuw soort superatomen samen te stellen, die de chemische eigenschappen hebben van een veel groter atoom – met ongebruikelijke magnetische eigenschappen.
Wat is een superatoom?
Het superatoom bevat gemagnetiseerde magnesiumatomen – een element dat gewoonlijk geen magnetische eigenschappen heeft. De combinatie van het metaalachtige karakter van magnesium met de nieuwe magnetische eigenschappen belooft interessante toepassingen voor de volgende generatie van snellere processoren, grotere geheugenopslag en kwantumcomputers.
Het nieuw ontdekte cluster bestaat uit één ijzeratoom en acht magnesiumatomen. Het gedraagt zich als een kleine magneet dat zijn magnetische kracht ontleent aan de ijzer- en magnesiumatomen. De gecombineerde eenheid is even magnetisch als een ijzeratoom en zorgt ook voor specifieke spintoestanden van de elektronen in het cluster.
Zo zien de superatomen er ongeveer uit. Een ijzeratoom (midden) in combinatie met de magnesiumatomen vormt een opmerkelijk stabiele minimagneet.
Cluster krijgt extra stabiliteit
Het team ontdekte dat het cluster bij acht magnesiumatomen extra stabiliteit kreeg. De reden: gevulde elektronenschillen waren ver verwijderd van de niet-gevulde schillen. Een atoom is in een stabiele configuratie als de buitenste elektronenschil gevuld is en ver verwijderd van niet-gevulde elektronenschillen. Edelgassen zoals helium hebben volledig gevulde elektronenschillen. Volgens een van de onderzoekers, Shiv Khanna, gebeurt dit gewoonlijk alleen met gepaarde elektronen (die niet magnetisch zijn), maar in dit onderzoek bleek de magnetische schil toch stabiel.
Volgens Khanna had het nieuwe cluster een magnetisch moment van vier Bohr magnetons, twee keer zo groot als dat van ijzer in een massief ijzeren magneet. Een magnetisch moment is een maat voor de magnetische sterkte van het cluster. Van de meer dan honderd elementen in het periodiek systeem, zijn er maar negen elementen die in vaste vorm magnetisch gedrag vertonen.
Moleculaire elektronica en kwantumcomputers dichterbij
Reveles, een andere onderzoeker die bij het experiment betrokken was, denkt dat een combinatie zoals nu is gecreëerd, kan helpen “moleculaire elektronica” door te laten breken. Dit soort moleculaire structuren kunnen namelijk elektronen met een bepaalde spin selectief doorlaten – essentieel voor bijvoorbeeld kwantumcomputers. Van deze moleculaire onderdelen wordt ook verwacht dat ze elektronica compacter maken, meer data kunnen verwerken, naast andere voordelen, aldus Reveles.
Khanna en zijn team doen voorstudies voor het produceren van de nieuwe superatomen en hebben al enkele veelbelovende waarnemingen gedaan die in spintronica kunnen worden toegepast. Spintronica is een vorm van elektronica waarin gebruik wordt gemaakt van de spin (de ‘richting’ waarin een elektron tolt). Spintronica belooft zeer energiezuinige, snelle en compacte elektronica.
