Het kwantumuniversum slaapt nooit. Chinese onderzoekers hebben namelijk als eersten ter wereld een Bose-Einstein-condensatie (BEC) van gebonden magnon-paren waargenomen in een magneetmateriaal. Dat klinkt als sciencefiction, maar het is inmiddels keiharde realiteit — experimenten vonden plaats met een high-end elektronspinresonantiespectrometer in de SHMFF-faciliteit, China.
Een multidisciplinair team uit onder meer Southern University of Science and Technology en de Australische Organisatie voor Atoomenergie detecteerde dit unieke fenomeen, wat tot dusver alleen in theorie werd beschreven.
Bose-Einstein-condensatie: het fascinerende kwantumcollectief
Een Bose-Einstein-condensatie is een zeldzame kwantumtoestand waarbij bosonen zich massaal in éénzelfde grondtoestand nestelen bij temperaturen net boven het absolute nulpunt. In het laboratorium zagen we dit fenomeen doorgaans bij gekoelde atomaire gassen. Maar nu is het gelukt met magnonen — quasi-deeltjes die collectieve spin-excitatie beschrijven in een kristalrooster.
De ontdekking is uniek omdat het niet zomaar losse magnons zijn, maar magnetische paren die zich gedragen als één enkel kwantumobject. Dat klinkt haast als magie — maar niets is minder waar.
Magnon-paren opereren als één kwantumwezen
De onderzoekers lieten zien dat in het kristal Na₂BaNi(PO₄)₂ magnons paren kunnen vormen — vergelijkbaar met de Cooper-paren uit de supergeleiding. Toch is er een fundamenteel verschil: waar in supergeleiders fermionen paren, zijn dit in dit experiment juist bosonen. De achterliggende kwantummechanica is dus wezenlijk anders.
Wat maakt dit materiaal zo bijzonder?
Het kristal Na₂BaNi(PO₄)₂ vormt een driehoekig rooster — natuurkundigen noemen dit een gefustreerd systeem. Daarbij wedijveren verschillende magnetische interacties met elkaar. Gevolg: de spins kunnen zich niet eenvoudig aligneren, waardoor er vreemde, soms grillige kwantumeigenschappen ontstaan — het perfecte speelveld voor fundamenteel onderzoek.
Bij extreem lage temperatuur én een sterk magneetveld beginnen magnons zich echt vreemd te gedragen. Ze koppelen per twee en trekken als een collectief door het rooster. Resultaat: een geheel nieuwe kwantumfase — nog nooit eerder waargenomen.
Analysetechnieken van het hoogste niveau
Om de ontdekking hard te maken, gebruikten de onderzoekers verschillende precisietools:
- Elektronspinresonantie op hoge frequentie — essentieel om magnetische excitatie te meten
- Neutronenverstrooiing — ideaal voor het bestuderen van de spinstructuren
- Kernmagnetische resonantie (NMR) — zoomt in op veranderingen op atomair niveau
Met dit arsenaal bewezen de natuurkundigen onomstotelijk dat de Bose-Einstein-condensatie van gekoppelde magnon-paren in dit materiaal optreedt.
Op weg naar nieuwe kwantumfasen
Wat betekent deze doorbraak? Deuren gaan open naar exotische kwantumfasen en onbekende manieren waarop deeltjes zich op nanoschaal kunnen ordenen. Het brengt toepassingen voor kwantumopslag en spintronica binnen bereik. Wie weet ontwerpen we straks in Delft of Eindhoven materialen waarvan we nu alleen kunnen dromen.
Driehoekige roosters blijven daarmee een fascinerend proefterrein voor kwantumfysici — en deze Chinese ontdekking is een cruciale stap in het ontrafelen van nieuwe, collectieve kwantuminteracties.