Veelbelovende materialen stukmaken om hun eigenschappen beter te begrijpen

Als je denkt aan de staat waarin een materiaal kan verkeren, dan kom je waarschijnlijk al snel uit bij deze drie: vloeibaar, gas en vast. Maar zo’n fase kan zich in heel veel verschillende toestanden bevinden. In de vaste fase zijn er zo een stuk of 30 op te noemen. Sommige van die toestanden zijn erg interessant voor toepassingen in bijvoorbeeld nieuwe electronica. Ook hoe zo’n toestand beïnvloed kan worden is interessant. Maar onderzoek hiernaar kan behoorlijk ingewikkeld zijn.

Arwin Kool, wetenschapper bij HFML-FELIX, is één van de mensen die hieraan werkt. ‘Wat ik eigenlijk doe in het lab is interessante materialen blootstellen aan allerlei omstandigheden en dan kijk ik – plat gezegd – wanneer het stuk gaat.’ Bij die omstandigheden kun je bijvoorbeeld denken aan temperatuur, druk, of de sterkte van een magneetveld. ‘Daarvoor hebben we hier allerlei onderzoeksopstellingen met extreem sterke magneten. In die magneten, die hier in het lab zijn ontwikkeld, kun je een monster van een materiaal stoppen om vervolgens te kijken: hoe reageert het als ik de omstandigheden aanpas? Veranderen dan misschien de eigenschappen van dat materiaal?’

Supergeleiding

Zo’n sample moet dan wel heel klein zijn. Ook al zijn de magneetopstellingen heel groot, de onderzoeksruimte in de magneten is maar een paar centimer in diameter. De materialen die Kool bestudeert zijn niet willekeurig. Vaak zijn ze in eerder onderzoek al omschreven als interessant. Dat betekent dat er al belangrijke data over beschikbaar zijn. Bijvoorbeeld een diagram waarin de toestanden  van het materiaal staan beschreven. ‘Vervolgens kan ik daarmee gaan spelen. Door onder andere te kijken naar geleiding. Want van heel veel materialen weten we wel dat ze iets spannends laten zien, zoals supergeleiding, maar we weten vaak nog niet hoe die eigenschappen werken en hoe we ze kunnen sturen.’

Duwen en trekken

Kool kijkt in zijn onderzoek ook naar mechanische invloeden. Daarvoor plaatst hij een heel klein stukje materiaal op een speciaal daarvoor ontworpen apparaatje, niet groter dan een 2 euro munt. Daarmee kan zelfs kwetsbaar materiaal voorzichtig worden opgerekt en ingedrukt. En ook dan kun je gaan kijken: hoe beïnvloedt dit het gedrag en de weerstand van het materiaal. ‘Als je dan gaat denken aan toepassingen, dan zou dit het voorwerk kunnen zijn voor nieuwe vormen van aan/uit-knoppen in materiaal. Misschien lukt het wel om gedrag van materiaal te besturen met een switch die reageert op magneetvelden, of juist op een voorzichtig duwtje.’

Nou klinkt ‘kijken wanneer iets stuk gaat’ misschien wat te lomp voor het hele nauwkeurige werk dat Kool in zijn experimenten uitvoert. ‘Soms is het geen zwart-wit effect. Soms is het een combinatie van factoren die zorgt voor een wisseling van toestand. En dan is er ook nog interactie tussen de verschillende toestanden. Maar voordat we kunnen werken met zo’n veelbelovend materiaal moeten we dat wel allemaal heel precies weten.’

Exotische eigenschappen

Eén van de materialen waar Kool naar kijkt is purple bronze. Een enorm complex en exotisch 1D-materiaal. Het houdt zich niet helemaal aan de standaard natuurkunde. Dit type 1D-materiaal zou alleen insulerend moeten zijn, maar purple bronze lijkt in één richting juist wel goede geleiding te hebben. ‘Dit soort materialen zijn eigenlijk een hele nieuwe richting in de natuurkunde. En ook nu kun je weer gaan kijken: kan er supergeleiding ontstaan in dit materiaal? En wat is daarvoor nodig? Wat is het effect van magnetisme op dit materiaal? Of wat gebeurt er als je mechanische invloeden toevoegt?’

Door de bijzondere structuur van purple bronze ziet Kool bijvoorbeeld al dat mechanische krachten verschillende effecten kunnen veroorzaken. ‘Als je in de lengte van de schakelkettingstructuur van het materiaal trekt gebeurt er niets, maar als je er loodrecht op drukt verandert het signaal dat ik meet enorm. Daar zit dus iets interessants.’ Iets interessants dat misschien ooit kan leiden tot veel zuinigere supercomputers, of goedwerkende quantum elekctronica.