Een supergeleidend ijzerpnictide met bariumatomen (groen), in een geordend patroon met arseen- (paars) en ijzerlagen (oranje). Daaronder: barium (blauw), arseen (geel) en ijzer (rood)(Ba: blauw, As: geel, Fe: rood). (afb: FOM)

Supergeleiding, het ontbreken van elektrische weerstand, is prachtig, maar het verschijnsel doet zich alleen voor bij zeer lage temperaturen en in sommige materialen. Dus wordt er al jaren gezocht naar supergeleiders die hun ‘kunsten’ bij hogere temperaturen vertonen, maar dan wreekt zich het feit dat er eigenlijk geen goede verklaring is waarom bepaalde materialen beneden een bepaalde temperatuur supergeleidend worden. Bij de Amerikaanse Rice-universiteit zijn onderzoekers op twee klassen ijzerverbindingen gestuit, pnictides en chalcogenides, die een overeenkomstige koppeling vertonen tussen elektronen als ze supergeleidend zijn. Het zou helpen supergeleiders te vinden als we dat mechanisme begrepen, stelt onderzoeker Qimiao Si en toog aan de slag. Elektronspins blijken een belangrijke rol te spelen. Een tipje van de sluier, dus…

Bestudering van beide klasse materialen hielpen de onderzoekers iets meer inzicht te krijgen in het verfijnde samenspel van de energietoestanden die een rol spelen bij de zogeheten Mott-overgang (waar een materiaal van metaalgedrag overgaat naar niet-metaalgedrag), de overgangstemperatuur voor supergeleiding en de elektronspin die verantwoordelijk is voor magnetisme, dat de sleutelrol speelt in de verklaring van het verschijnsel.
“Magnetisme is altijd beschouwd als slecht voor supergeleiding”, stelt Si. “In ijzerpnictides en -chalcogenides en ook andere materialen, gaan magnetisme en supergeleiding echter hand in hand. Dat leidde bij ons tot de vraag: waar bij elektronkoppeling vinden we de optimale supergeleiding?”
Het bleek Si en zijn medewerkers dat wisselwerking tussen de elektronspins bij de ijzerverbindingen de drijfveer is voor supergeleiding. Die wisselwerking is het sterkst als de elektronconfiguratie dichtbij die Mott-overgang is (die je zou kunnen beschouwen als het punt waarop het elektron ‘aarzelt’ tussen een vaste plaats en de vrije beweging=geleiding). “Het vreemde is dat geoptimaliseerde supergeleiding voorkomt bij een slecht metaal”, zegt medewerker Rong Yu, voorheen Rice maar tegenwoordig verbonden aan de Chinese Renmin-universiteit. “Chalcogenides verschillen in vele opzichten van de pnictides, maar hebben een even hoge overgangstemperatuur voor supergeleiding. Dat was een verrassing”, zegt Si. Volgens Si helpen de opgedane inzichten supergeleiders te maken met een overgangstemperatuur die hoger is dan het kookpunt van stikstof (-196°C). Nog altijd niet echt wat je een normale temperatuur noemt. Overigens lijkt het er dan op dat Si de cupraten vergeet, die supergeleiding vertonen bij -138°C. Toegegeven, dat zijn niet echt makkelijke (=praktische), want keramische, materialen.

Bron: Eurekalert