Recent zijn de wiskunde-tak van de topologie, waarin de vorm van dingen wordt bestudeerd, en de natuurkunde-tak van de gecondenseerde materie, waarin het gedrag van vaste stoffen en vloeistoffen wordt onderzocht, samengegaan in een boeiend nieuw onderzoeksgebied: dat van de topologische materialen. Een van de interessantste aspecten van dit gecombineerde onderzoek is het ontstaan van exotische quasideeltjes: lokale verstoringen in materialen die zich precies zo gedragen als deeltjes. Dat zulke quasideeltjes kunnen bestaan, was al bekend uit de quantumbeschrijving van eenvoudige materialen. Wat de combinatie met topologie te bieden heeft, is een geheel nieuwe verzameling van zulke deeltjes, die bekend staan onder namen als Dirac- en Weylfermionen, axionen en magnetische monopolen.

Interacties construeren

Door zich te bevrijden van de strenge regels voor gewone deeltjes die de natuur oplegt, krijgen onderzoekers controle over de eigenschappen van quasideeltjes. Ze maken daarvoor een slimme keuze van de materialen waarin de quasideeltjes gegenereerd worden. Een wens die altijd hoog op het lijstje heeft gestaan, was het vinden van materialen waarin ook de soort en sterkte van de interacties tussen quasideeltjes regelbaar zijn.

Recent is een familie van materialen ontdekt waarin de atomen gerangschikt zijn in een zogeheten kagome-rooster. In zijn ‘News & Views’-artikel beschrijft Erik van Heumen experimenten, waarvan in het laatste nummer van Nature Materials verslag wordt gedaan, en waarin wordt gesuggereerd dat in deze materialen een zogeheten ‘flux-density wave’ ontstaat, een excitatie die de eerste bevestiging levert van de theoretische voorspelling dat deze materialen exotisch wisselwerkende quasideeltjes kunnen bevatten. Het feit dat zulke regelbare interacties tussen quasideeltjes nu in het laboratorium kunnen worden gemaakt, belooft veel voor de toekomstige studie van topologische materialen.

Publicatie

Charge density waves with an unexpected twist, Erik van Heumen, Nature Materials News & Views, September 2021