We weten eindelijk meer over de ongrijpbare magnetische eigenschappen van minuscule stukjes materiaal

Stel, je hebt een stuk materiaal in vaste vorm, zoals een stuk ijzer, dan heeft dat stuk een specifieke set eigenschappen. Denk aan een bepaalde geleidbaarheid, een warmtecapaciteit, of dat het wel of niet magnetisch is. Eén enkel atoom van dat materiaal kan echter heel andere eigenschappen hebben – eigenschappen die sterk kunnen afwijken van die van dat stuk materiaal.

Je zou verwachten dat – wanneer je die afzonderlijke atomen samenvoegt tot steeds grotere groepjes, net zolang tot ze weer dat vaste stuk materiaal vormen – hun eigenschappen geleidelijk veranderen naar die van het eindproduct. Hoe meer atomen je toevoegt, hoe meer het gedrag gaat lijken op dat van de vaste stof. Op een grafiek zou je een rechte, of op zijn minst vloeiende lijn verwachten die het enkele atoom verbindt met de vaste stof. Onderzoek heeft echter aangetoond dat dit helemaal niet het geval is. ‘Vooral voor kleine aantallen – aantallen die we op één hand kunnen tellen – lijkt het daar zelfs helemaal niet op’, vertelt HFML-FELIX-onderzoeker Piero Ferrari. ‘Bij 3 atomen kan de lijn bijvoorbeeld omhoog gaan, maar bij 5 omlaag en ergens bij 10 schiet hij weer omhoog, totdat hij op een gegeven moment uitvlakt naar de vaste stof.’

Een geheel nieuwe dimensie

Stel je voor dat je een materiaal wilt gebruiken of manipuleren. Misschien wil je elektronica maken van slechts een paar atoomlagen dik. Of je bent op zoek naar een nieuw materiaal met bijzondere eigenschappen. In beide gevallen moet je begrijpen hoe dit materiaal zich gedraagt en hoe je dat gedrag kunt voorspellen. ‘Je zou denken dat we apparaten kunnen bouwen met slechts een beperkt aantal elementen: de elementen in het periodiek systeem’, zegt Ferrari. ‘Maar als je begint te spelen met het aantal atomen van dat materiaal, is het alsof je een hele nieuwe dimensie opent in het periodiek systeem. Plotseling heb je een heleboel nieuwe mogelijkheden, en kun je heel interessant nieuw gedrag waarnemen.’

Het wordt dan belangrijk om, atoom voor atoom, te begrijpen hoe dit gedrag verandert en wat de ‘formule’ erachter is. ‘We willen dit weten voor atomen en materialen in het algemeen, maar in deze studie keken we naar één materiaal: ijzer. Wat een zeer veelvoorkomend metaal is. Specifiek onderzochten we hoe de magnetische eigenschappen van ijzer zich atoom voor atoom ontwikkelen van het enkele ijzeratoom naar het bulkmateriaal. En dat voor verschillende groottes binnen het zogeheten clusterregime; het bereik waarin eigenschappen lukraak heen en weer kunnen schieten.’

Geen eenvoudige antwoorden

Hoe het gedrag van atomen verandert en hoe je dat kunt voorspellen zijn fundamentele vragen die niemand tot nu toe heeft kunnen beantwoorden. De moeilijkheid ligt in hoe klein de deeltjes zijn. Een cluster van 10 atomen, met een grootte van slechts een halve nanometer – ongeveer honderdduizend keer kleiner dan een mensenhaar – is niet eenvoudig te bestuderen. Onderzoekers hebben manieren gevonden om de clusters in het laboratorium te produceren, maar het meten van bijvoorbeeld het magnetisme van de deeltjes in deze clusters is uiterst moeilijk gebleken. ‘Deze kleine deeltjes vereisen een zeer gevoelige aanpak. Resultaten van experimenten die erin slaagden metingen te doen aan clustermagnetisme hebben elkaar vaak tegengesproken. Andere onderzoekers hebben tijd besteed aan het ontwikkelen van rekenkundige methoden om het magnetisme van ijzerclusters theoretisch te voorspellen, maar ook dergelijke berekeningen zijn het vaak oneens met de experimenten.’

Oude techniek, nieuwe resultaten

Bij HFML-FELIX laten Ferrari en zijn collega’s nu zien dat een oude techniek veelbelovende resultaten kan opleveren die experimenten en berekeningen voor kleine ijzerclusters met elkaar kunnen verzoenen. ‘Hier in het lab gebruiken we onder andere infraroodspectroscopie. Daarmee bestudeer je de trillingen van de atomen in een cluster. Door naar deze bewegingen te kijken, krijg je een structurele “vingerafdruk” van de clusters. We laten nu zien dat wanneer je deze techniek toepast op ijzerclusters, haar gevoeligheid zelfs de subtiele verschillen in magnetisme zichtbaar kan maken.’

Hoe het werkt

Stel je een cluster van 5 ijzeratomen voor. Die kunnen zich op verschillende manieren rangschikken. De atomen kunnen bijvoorbeeld in een cirkel staan, allemaal op een rechte lijn, of ze vormen misschien een gesloten driedimensionale structuur, zoals een mini-pyramide. Als je het spectrum (de vingerafdruk) van zo’n cluster meet in een experiment, kun je dat vergelijken met de berekende spectra voor al deze mogelijke configuraties. Elke keer simuleer je: hoe zou het spectrum eruit zien als het een lijn was, en komt dat overeen met het gemeten spectrum of niet? Totdat je een overeenkomst vindt.

Deze techniek, infraroodspectroscopie, wordt al decennialang gebruikt, maar niet met een focus op magnetisme. ‘Als je een cluster van één specifieke vorm neemt, bijvoorbeeld de pyramide, dan vraag je je af of een verschillend magnetisch moment invloed heeft op de structuur. Volgens de berekeningen wel, maar ze zijn heel subtiel. Nu blijkt uit ons werk dat die subtiele verschillen tot heel andere trillingsbewegingen leidt, en dat die onderscheidbaar zijn in het spectrum. Op deze manier kunnen we dus precies bepalen wat het magnetisme in een cluster is.’

Nieuwe methode voor onderzoek

Uiteindelijk levert dit een soort blauwdruk op: een voorspelling van het gedrag voor verschillende clustergroottes van hetzelfde materiaal. ‘We laten dit zien voor clusters van drie tot twaalf ijzeratomen, maar we kijken ook naar grotere systemen en andere materialen. We hopen uiteindelijk te bewijzen, door deze experimenten te combineren met onze berekeningen, dat deze methode werkt voor allerlei magnetische systemen. Dit zou onderzoekers een zeer interessante nieuwe methode bieden, waarmee het magnetisch gedrag in verschillende materialen atoom voor atoom voorspeld kan worden.’ En dat kan de weg vrijmaken voor fascinerende nieuwe materialen en vernieuwende elektronica.

Wil je meer weten over dit onderzoek? De volledige paper vind je hier:

Resolving spin state discrepancies of small cationic iron clusters by far-infrared vibrational spectroscopy