Decennialang bleven voorspellingen van theoretisch natuurkundigen onbewezen, ondanks razendsnelle ontwikkelingen in laboratoriumtechnologie. Nu heeft een experiment uit Denemarken geleid tot een wetenschappelijke doorbraak die velen voor onmogelijk hielden. Fysici van het Niels Bohr Instituut hebben eindelijk toegang weten te krijgen tot een quantumfenomeen waar de wereld al 65 jaar op wachtte.
Waarop heeft de wetenschap 65 jaar gewacht?
In 1964 voorspelden de fysici Caroli, de Gennes en Matricon het bestaan van bijzondere quantumtoestanden die zich zouden moeten vormen in de zogenaamde vortexkernen van bepaalde supergeleidende materialen.
Hun theorie werd breed gedragen, maar experimenteel bewijs bleef uit. Het grote probleem? De benodigde meetnauwkeurigheid om deze toestanden direct waar te nemen was technisch simpelweg niet haalbaar — en bleef dat ruim zes decennia lang.
Het obstakel was niet theoretisch, maar puur technologisch. Het observeren van deze zogeheten CdGM-toestanden vereist een energieresolutie die moderne apparatuur tot voor kort niet kon leveren.
Nu is er een creatieve doorbraak: onderzoekers van het Niels Bohr Instituut vonden een alternatieve benadering waardoor het quantumfenomeen eindelijk gecontroleerd bestudeerd kon worden, zonder het in de “natuurlijke” vorm te hoeven observeren. Het team creëerde nauwkeurig de omstandigheden waaronder deze toestanden ontstaan — en zo werd de mijlpaal alsnog bereikt.
Wat zijn CdGM-toestanden — en waarom bleven ze onzichtbaar?
Caroli–de Gennes–Matricon (CdGM) toestanden ontstaan in de kern van quantum-vortices binnen type II supergeleiders. In deze extreme omgeving gelden volstrekt andere regels voor het gedrag van elektronen; het elektromagnetisch gedrag wijkt radicaal af van wat we “normaal” zouden noemen.
Electrons ordenen zich in unieke patronen door de gebroken symmetrie en de sterk afgebakende ruimtelijke omstandigheden.
Het grote struikelblok: het energieverschil tussen deze toestanden is minuscuul als je het vergelijkt met het bereik van moderne meetinstrumenten.
Kunstmatige vortexen: De troef van Deense onderzoekers
Omdat directe observatie in traditionele materialen nagenoeg onmogelijk bleek, kozen de Denen voor een andere strategie. In plaats van wachten op een “natuurlijk” experiment, bouwden ze een kunstmatig systeem waarin de omstandigheden voor het ontstaan van de quantumtoestanden nauwkeurig nagebootst konden worden.
Daarvoor gebruikten ze indiumarseen (InAs) nanodraden, bekleed met een laagje aluminium. Zo ontstond een cilinder van supergeleidende en halfgeleidende materialen.
Door op deze structuur een axiaal magnetisch veld aan te leggen, konden ze exact bepalen hoe en wanneer de supergeleidende fase veranderde. Dit simuleerde een kunstmatige vortex — het equivalent van de gewenste quantumtoestanden. Technisch ontstonden er Van Hove-singulariteiten: synthetische “klonen” van de originele quantumtoestanden.
Uniek: dit systeem laat zich tot in detail finetunen. Je past gemakkelijk de dikte van de bekleding of de kracht van het magnetisch veld aan — zo kan de quantumwereld eindelijk gecontroleerd worden gemanipuleerd.
Onderzoekers kunnen nu gedrag van deze toestanden faliekant beïnvloeden — iets wat voorheen in een écht supergeleidend materiaal onmogelijk was.
Wat is het Little–Parks-effect — en waarom is dit belangrijk?
Kern van het experiment is de bekende periodieke oscillatie: het Little–Parks-effect. In 1962 toonden twee Amerikanen aan dat de kritische temperatuur van een supergeleider met een zekere regelmaat verandert wanneer een magneetflux wordt toegepast.
Deens onderzoek toonde nu een blokachtige structuur in de energiekloof van het supergeleidende systeem, gemoduleerd door het magnetisch veld. Precies in deze “blokken” verschenen de quantumtoestanden die waren voorspeld voor de synthetische CdGM-toestanden.
Opvallend is de asymmetrie in deze formaties: die versterkt het bewijs nog eens. De gemeten geleidbaarheidsverdelingen kloppen exact met de theoretische modellen en sluiten uit dat het hier slechts meetfouten betreft.
Op weg naar nieuwe quantumplatformen
Buiten theoretisch belang zijn de gevolgen enorm voor de quantum-materiaalkunde. Eindelijk is het mogelijk wervels en hun interne toestanden veilig en nauwkeurig na te bootsen. Dit opent deuren voor baanbrekende hybride quantum-simulatoren, essentieel voor het modelleren van complexe systemen.
Interessant detail: volgens de natuurkundige Saulius Vaitekūnas waren deze toestanden in eerste instantie niet eens het hoofddoel. Ze werden “per ongeluk” gevonden in de zoektocht naar heel andere materiaaleigenschappen. Juist daardoor zijn ze nu een onverwachte gouden sleutel tot nieuwe quantumcontrolemethoden.
Internationaal: Hoe samenwerking het onmogelijke realiseerde
Deze prestatie ontstond uit het intensieve werk van teams uit Denemarken, Spanje en de VS. Theoretische modellen werden gecombineerd met specialistische nanofabricage, waaronder epitaxiale groei van aluminium en innovatieve spanningsbarrières om het elektrisch potentiaalveld te regelen.
Elk detail telde: de dikte van het aluminium, de richting en sterkte van het magnetisch veld — alles werd nauwkeurig vastgelegd.
Het experiment bewijst opnieuw: quantumfysica draait om heel kleine, opeengehoopte stapjes vooruit. Samen maken ze het mogelijk om oude, nagenoeg onbereikbare voorspellingen, eindelijk solide te bevestigen. Eerlijk gezegd — een moment dat direct het studieboek in kan.
