Silicium elektrisch bekeken: een vijfde natuurkracht?

Voor planten is silicium van essentieel belang voor het opbouwen van celwanden. Misschien licht dit experiment ook een tipje op van de sluier hoe elektriciteit in de bodem effect heeft op plantengroei in het magnetisch veld van de aarde. Zeker interessant als je in kwantumfysica denkt.

In bepaalde planten komt het in grote hoeveelheden voor. Siliciumdioxide komt in de aardkorst vooral voor als zand, dat voornamelijk uit kwarts bestaat. Na zuurstof is silicium het meest voorkomende element in de aardkorst. De aardkorst bestaat voor 25,7% uit silicium in zijn verschillende verbindingen, zoals silicaten in klei en mica en veel mineralen en in asbest.

Zijn naam heeft silicium te danken aan het Latijnse Silex, “vuursteen”. In 1854 bereidde Henri Saint-Claire Deville voor het eerst kristallijn silicium. De hightech regio Silicon Valley in Californië is vernoemd naar silicium, omdat silicium een belangrijke grondstof is voor halfgeleiders. Kwarts is een piëzo-elektrisch materiaal: vormverandering door druk leidt tot elektrische stroompjes. De trillingen die men in het kristal kan opwekken worden gebruikt in elektronische apparatuur zoals kristaloscillator in kwartsuurwerken en radio‘s.

NewScientist 19 september 2021 Jean-Paul Keulen, met inleiding hierboven van Henk Kieft.

Silicium speelt dus ook in onze elektronica een cruciale rol. Onderzoekers van het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een siciliumkristal op een nieuwe manier doorgelicht – en dat vertelde ze niet alleen meer over dat silicium.

Trillende snaren

Voor dit experiment vuurden de wetenschappers neutronen af op een siliciumkristal. Daarin zijn de siliciumatomen op een regelmatige manier gerangschikt. Nu is het zo dat neutronen zich niet alleen als deeltjes, maar ook als golven kunnen gedragen. In dit geval ontstaan er staande golven – vergelijkbaar met een trillende gitaarsnaar – in het materiaal. De pieken van zo’n golf kunnen dan overlappen met de atomen in het rooster (links op het plaatje hieronder) of er netjes tussenin vallen (rechts). Daarna worden die twee golven gecombineerd, waardoor een patroon ontstaat dat je meer kan meer vertellen over hoe het kristal in elkaar zit.

Michael Huber, een van de betrokken wetenschappers, omschrijft het in een persbericht van NIST als volgt: ‘Stel je voor dat je de snaren van twee gitaren aanslaat en er dan eentje over een weg met verkeersdrempels vervoert en de andere over een even lange vlakke weg. Als je aan het eind van beide wegen het geluid van de twee gitaren vergelijkt, vertelt dat je iets over de snelheidsdrempels waar een van beide overheen is gegaan. Hoe groot zijn ze? Hoe glad? Hebben ze nog gekke vormen?’

Op deze manier hebben de NIST-onderzoekers de structuur van het siliciumkristal vier keer nauwkeuriger in kaart weten te brengen dan eerder was gelukt met andere methodes.

Enorm elektrisch veld

En dat is niet alles. Dit soort onderzoek kan ons ook meer vertellen over de neutronen zélf. Hoewel dat in zijn geheel, zoals hun naam al zegt, neutrale deeltjes zijn, geldt dat niet voor hun ‘binnenkant’. Neutronen bestaan namelijk uit drie quarks: één met een positieve, en twee met een negatieve elektrische lading. Die quarks zijn zo over het neutron verdeeld dat op sommige plekken een positieve lading overheerst en op andere een negative.

Die ladingsverdeling konden de wetenschappers aan een nader onderzoek onderwerpen doordat de neutronen een elektrisch veld ervaren als ze tussen de geladen deeltjes in het siliciumkristal door bewegen. Dat veld is zó sterk, dat het neutron zich niet meer gedraagt als één neutraal ‘bolletje’, maar als een deeltje met een positief hart, omringd door een negatieve schil.

Nu zijn er wel eerdere metingen gedaan aan de ladingsverdeling van het neutron – maar die stroken niet helemaal met elkaar. Het nieuwe resultaat, dat op een compleet andere manier tot stand is gekomen dan die eerdere metingen, kan daarom helpen te bepalen hoe het nu écht zit. In vervolgexperimenten hopen de onderzoekers bovendien de meest accurate meting van de ladingsverdeling tot nu toe te kunnen doen.

Vijfde kracht

Tot slot keken de onderzoekers naar de mogelijkheden voor een vijfde natuurkracht. Tot nu toe kennen we vier krachten: de zwaartekracht, de elektromagnetische kracht, de sterke kernkracht en de zwakke kernkracht. Maar het zou natuurlijk kunnen dat die niet het hele verhaal zijn; dat er nóg een kracht in het spel is, waar we tot nu toe niets (of weinig) van hebben gemerkt.

Zo’n nieuwe kracht zou dan waarschijnlijk alleen op korte afstanden tussen deeltjes werken. Met hun neutronen-en-kristalonderzoek konden de NIST-wetenschappers kijken naar afstanden tussen 0,02 nanometer (miljardste meter) en 10 nanometer, en voor die afstanden zeggen: ‘Áls er al een nieuwe kracht is, is die in elk geval niet sterker dan zus-en-zo, want dan hadden we er iets van moeten merken.’

‘Het is een mooi experiment’, zegt Steven Hoekstra, adjunct hoogleraar atoom- en molecuulfysica aan de Rijksuniversiteit Groningen. ‘Wat vooral aantrekkelijk is, is dat ze door de gekozen techniek van verstrooiing van neutronen aan een heel puur kristal de eigenschappen van deze neutronen heel goed konden meten. Deze interessante techniek zal zeker nog verder ontwikkeld worden, door bij lagere temperaturen te werken en kristallen van verschillende materialen te gebruiken.’