In de jaren ’80 maakte de kritische temperatuur waar beneden supergeleiding heerst een ‘sprong’ . Toch is nog steeds niet duidelijk hoe supergeleiding werkt, ondanks het werk van de drie kersverse Nobelprijswinnaars.

De Nobelprijs voor de natuurkunde 2016 is toegekend aan drie Britse wetenschappers die een ongewone materiaaltoestand ontdekten in de wereld van de elementaire deeltjes: David Thouless, Duncan Haldane en Michael Kosterlitz. De door het drietal met wiskundige middelen bestudeerde exotische fases zouden wezenlijk zijn voor supergeleiding, wrijvingsloze vloeistoffen en het gedrag van ultradunne magneetlagen.
We hebben op school geleerd dat materie in drie aggregatietoestanden kan voorkomen: vast, vloeibaar en gasvormig. Bij temperaturen in de buurt van het absolute nulpunt (-273°C = 0 K) en in uiterst dunne lagen kunnen nog andere aggregatietoestanden voorkomen. Zo kan een stof beneden een bepaalde temperatuur ineens supergeleidend worden, waarbij elektronen zonder energieverlies door die stof kunnen verplaatsen. Helium-4 wordt onder bepaalde omstandigheden superfluïde, waardoor het langs loodrechte wanden omhoog kan stromen en in werveling eindeloos blijft ronddraaien.
Tot in de jaren 70 bestond daar geen enkele redelijke verklaring voor. Dat veranderde toen Thouless en Kosterlitz, tegenwoordig werkzaam bij de universiteit van Washington en de Brown-universiteit (beide in de VS), rond die tijd elkaar in Birmingham troffen en besloten dat probleem aan te vatten.
Hun aanpak was ongewoon. Ze gebruikten voor hun onderzoek een wiskundige benadering: de topologie.In de topologie worden de eigenschappen van geometrische objecten in formules gevat, welke ook bij vervorming e.d. gelijk blijven. In de topologie behoort een kogel en een schaal tot dezelfde categorie aangezien ze door vervorming uit elkaar kunnen worden verkregen. Een koffiekopje (met oor) en een torus behoren ook tot een (andere) categorie, omdat ze beide een gat omvatten.

De beide onderzoekers bekeken vaste stoffen door topologische ‘ogen’ en kwamen er zo achter welke wetmatigheden de exotische faseovergangen in ultradunne koude materie beheersen. Uiteindelijk spelen daarbij ook gaten, of beter gezegd wervels, een grote rol.

Nieuw tijdperk

Onder normale omstandigheden komen die wervels slechts sporadisch voor (ze ‘doven’ uit), maar in de buurt van het absolute nulpunt vormen deze wervels in ultradunne lagen paren. Bij supergeleiding zijn dat Cooperparen van elektronen, eigenlijk in tegenspraak met de natuurkundewetten. Thouless en Kosterlitz bewezen echter dat dit bij zeer lage temperaturen en in uiterst dunne lagen wel mogelijk en ook verklaarbaar is. Ze legde daarmee de basis voor een nieuw tijdperk in de vastestoffysica en voor een geheel nieuw begrip van atomaire processen.

Duncan Haldane, tegenwoordig werkzaam bij de universiteit van Princeton, werkte in de jaren 80 met Thouless samen en onderzocht de topologische eigenschappen van magnetische atoomketens. Hij transponeerde de inzichten van zijn collega’s op ultradunne, haast tweedimensionale lagen, en slaagde er zo in nieuwe inzichten in zulke atomaire constructies te ontwikkelen.
“De drie prijswinnaars hebben aan de hand van de topologie verassende resultaten geboekt, die hebben geleid tot geheel nieuwe onderzoeksgebieden en de vorming van nieuwe en belangrijke ideeën in de natuurkunde mogelijk hebben gemaakt”, zo stelt het Nobelprijscomité. Aan die wetenschappelijke arbeid is het mede te danken dat er nu volop onderzoek gedaan wordt naar die exotische materietoestanden. “Veel mensen verwachten dat dat zal leiden tot toepassingen zowel op het gebied van materialen als van de elektronica”, voegt het comité daaraan toe. Overigens tasten onderzoekers, op zoek naar hogetemperaturensupergeleiders, nog steeds in het duister waarom bepaalde materialen supergeleidend worden, heb ik me altijd laten wijsmaken.

Bron: bdw