In de jaren ’80 maakte de kritische temperatuur waar beneden supergeleiding heerst een ‘sprong’
Al tientallen jaren proberen wetenschappers een houdbare theorie te bedenken die het fenomeen supergeleiding verklaart. Nu schijnt dat verschijnsel letterlijk in beeld gebracht te zijn bij een cupraat (koperoxide met verschillende elementen). Daaruit zou zijn op te maken dat elektronen elkaar aanzetten om zich wrijvingsloos te verplaatsen. Dat zou dan weer lijken op een theorie die bedacht werd toen het mysterie ontstond bij de ontdekking van ‘hogetemperatuursupergeleiders‘ in de jaren 80.
Cupraatdeskundige Subir Sachdev van de Harvarduniversiteit vindt
het bewijs mooi en direct. Experimentator Séamus Davis die het onderzoek aan de universiteit van Oxford heeft geleid stelt er al zo’n25 jaar aan gewerkt te hebben. “Het mysterie is nu opgelost”, vindt hij.
De metingen ondersteunen een theorie die stelt dat de supergeleiding van cupraten berust op een kwantumfenomeen dat superuitwisseling heet. “Als dat zo is”, zegt Davis, “dan wordt het mogelijk materialen te beschrijven met verschillende elementen op verschillende plaatsen waarvoor de kritische temperatuur (beneden welke materiaal supergeleidend is; as) hoger is.”
Op naar de supergeleiders die hun kunsten vertonen bij kamertemperatuur. Nu hebben zogeheten hogetemperatuursupergeleiders nog vloeibare stikstof nodig (maximaal -96°C) om supergeleidend te worden.
Normaal gesproken ondervinden elektronen die door een materiaal bewegen een weerstand door botsingen met andere deeltjes. Bij supergeleiding gebeurt dat (kennelijk) niet. Midden jaren 50 bedachten John Bardeen, Leon Cooper en Robert Schrieffer een theorie, de BCS-theorie, waarbij bewegende trillingen door de rijen atomen elektronen aan elkaar plakten. Elektronen vormen dan zogeheten Cooperparen. Die zouden volgens de Duitse natuurkundige Jörg Schmalion eigenlijk niet mogen voorkomen.
Als elektronen paren vormen is er nog een kwantumtruc nodig om supergeleiding onvermijdelijk te maken. Normaal overlappen elektronen niet, maar Cooperparen volgen andere, kwantummechanische regels. Ze fungeren als een soort lichtdeeltjes.
Veel Cooperparen ‘versmelten’ in een enkele kwantumtoestand: een supervloeistof. Die trekt zich niks aan van de atomen waar die langs komt. Alle metalen worden dicht in de buurt van het absolute nulpunt (-273°C of 0K) supergeleiding. Atoomrimpelingen zorgen dan voor de zwakste elektronen’lijm’. Als de temperatuur omhoog gaat dan beginnen die atomen heftiger te bwegen en weg supergeleiding.
In 1986 ontdekten IBM-onderzoekers Georg Bednorz en Alex Müller een sterkere elektronen’lijm’ in cupraten. Die bestonden uit lagen koperoxiden tussen lagen van andere elementen. Die ontdekking dreef de kritische temperatuur voor supergeleiding op naar 30 K (30 graden boven het absolute nulpunt). Inmiddels zijn onderzoekers bij 130 K gekomen.
Sterkere elektronen’lijm’
De vraag was natuurlijk waar die sterkere elektronen’lijm’ in die cupraten vandaan komt. Zouden de elektronen zich bundelen tot concentratierimpels van lading? Of zouden ze wisselwerken via hun spin? Wijlen Philip Anderson kwam in 1987 met het voorstel over superuitwisseling, dat net een paar maanden eerder was beschreven. Dat zou een kracht zijn die elektronen de mogelijkheid biedt te hoppen van de ene naar de andere plaats.
Elektronen geven er de voorkeur samen te hoppen met elektronen met een tegengestelde spin. In die superuitwisseling houden ze ook netjes afstand. Die effectieve aantrekking was volgens Anderson de oorzaak van sterke Cooperparen.
Bewijs dat maar eens. Davis, tegenwoordig Cornell-universiteit, heeft zich daar in zijn tocht langs diverse onderzoeksinstellingen al 25 jaar de tanden op stukgebeten. Hij gebruikte onder meer een rastertunnelmicroscoop om de stroom van springende elektronen te meten tussen een supergeleidende microscoopnaald en een cupraatoppervlak. Zo kon hij ook de dichtheid van Cooperparen meten.
Ook in China hielden onderzoekers zich met deze materie bezig en in 2016 is daar een proef gedaan die de veronderstelling van Anderson ondersteunde. Davis wilde meer weten over de aard van de ‘lijm’.
Aha-moment
Zijn aha-moment kwam in 2020 tijdens een Zoomvergadering. Bisko (bismuthstrontiumcalciumkoperoxide, BSCCO) had een bepaalde eigenschap die het materiaal geschikt maakt voor hét experiment. In bisko worden de koperoxidelagen tussen de omringende atomen in een golfvorm geperst. Daardoor variëren de atoomafstanden en daarmee de energie om te hoppen. Voor theoretici is zo’n ‘slordig’ kristal een gruwel, maar experimenteel ingestelde onderzoekers waren enthousiast. Ze hadden in een kristal een ‘spectrum’ aan hopenergieën.
Davis c.s. gebruikten een traditionele atoomkrachtmicroscoop met een metalen naald om elektronen te manipuleren en om de hopenergie te bepalen in een cupraatplaatje. Met een cupraatnaald maten ze de Cooperpaardichtheid.
Als elektronen problemen hadden met hoppen, dan was de supergeleiding zwak. Als dat hoppen makkelijk was was die sterk. Die relatie kwam overeen met een voorspelling in een ander onderzoek uit 2021, waarbij gesteld werd dat die voortsproot uit de theorie van Anderson.
Het bewijs in de praktijk
Die hopenergie zou dus verbonden zijn aan de kracht van de supergeleiding. Vrij algemeen kunnen de ‘supergeleiders’ zich wel vinden in de conclusies van Davis c.s., maar er blijft toch enige twijfel. Ali Yazdani van Princeton denkt dat het mogelijk is dat de koppeling een andere oorzaak heeft. Voor hem moet het bewijs van de relatie komen uit het gebruik van superuitwisseling in het ontwikkelen van nieuwe echte hogetemperatuursupergeleiders. Theorieën zjn mooi maar de praktijk moet de waarde van een theorie bewijzen, is zijn stelling.
Op naar de kampertemperatuursupergeleiders. Er zouden al verschillende ideeën zijn, maar makkelijk zal het niet worden. Misschien heeft superuitwisseling een ondoordringbaar plafond. Schamlian ziet het echter wel zitten. “De creativiteit van materiaalontwerpers is eindeloos.” De mens heeft zichzelf al vaker overschat, overigens.
Bron: Quanta Magazine