Een impressie van de meerpolige orde in strontiumiridiumoxide, waarbij de dikke paarse ‘neus’ de richting aangeeft (afb: Liuyan Zhao)

Ik waarschuw je maar vast: dit wordt een moeilijk verhaal. Je bent gewaarschuwd. Klassiek kan een stof in drie materiaaltoestanden (fases): vast, vloeibaar en gasvormig. Er zijn er meer, maar onderzoekers van Caltech rond David Hsieh hebben nu een niet eerder waargenomen fase ontdekt, die gekenmerkt wordt door een uitzonderlijke ordening van elektronen en mogelijk een rol zou kunnen spelen in de verklaring van het altijd nog mysterieuze verschijnsel van de hogetemperatuursupergeleiding, waarbij bij, relatief, hoge temperaturen (- 173°C) de elektrische weerstand verdwijnt.
De onderzoekers waren niet op zoek naar een, theoretische voorspelde, nog niet waargenomen fase. Hsieh: “De ontdekking was volkomen onverwacht. Het hele veld van elektronische materialen drijft op de ontdekking van fases, die de basis vormen van een zoektocht naar nieuwe macroscopische eigenschappen.”
De onderzoekers liepen tegen de ontdekking van de fase aan toen ze bezig waren met een recent ontwikkelde lasermeettechniek om te kijken naar wat genoemd wordt meerpolige orde. Om te begrijpen wat dat is moet je een kristal voor de geest halen waarin elektronen bewegen. Onder bepaalde omstandigheden kan het voordelig zijn voor die elektrische ladingen om zich op een regelmatige wijze te ‘stapelen’. Dat heet dan weer een ladinggeordende fase. De drijvende kracht daarbij is de lading, een simpele eenheid die door een getal (grootte) kan worden beschreven. Behalve een lading hebben elektronen ook een spin. Ik heb me die altijd voorgesteld als een draaiing van het elektron, maar dat schijnt niet zo te zijn. Hoe dan ook. de spin kan in twee toestanden verkeren. Laten we die omhoog en omlaag noemen. Als die elektronspins parallel lopen (allebei omhoog of omlaag) dan vormen ze een (ijzer)magneet. Een spin heeft zowel een grootte als een richting.
De laatste decennia hebben natuurkundigen allerlei mooie technieken ontwikkeld om deze fases te kunnen bestuderen, maar wat gebeurt er als de elektronen zich niet netjes gedragen? Wat als een elektron niet een simpel cijfer is (lading) of een gerichte grootheid (spin), maar iets met meer dimensies zoals een matrix? Dat zou kunnen als de bouwsteen van de geordende fase een elektronenpaar is met tegengestelde spins bij wat als een quadrupool (vierpool) zou kunnen worden beschreven. Dat soort toestanden zijn lastig waar te nemen met bestaande meetsystemen. Toevallig is de door Hsieh c.s. ontdekte fase een voorbeeld van een meerpolige orde. Om die te ontdekken gebruikten de onderzoekers een effect dat optische harmonische-opwekking wordt genoemd. Alle vaste stoffen vertonen een dergelijk effect, maar die is ontzettend zwak. Als je, om ietwat duidelijker te worden, naar een voorwerp kijkt met licht met een bepaalde golflengte/frekwentie, dan heeft al het licht dat van dat voorwerp weerkaatst ook diezelfde frekwentie. Alhoewel, een zeer klein gedeelte van het weerkaatste licht heeft echter een veelvoud van de oorspronkelijke frekwentie (dat wordt een harmonische, een zelfstandig naamwoord, genoemd). Dat is dus die optische harmonische-opwekking. Als je de symmetrie van een kristal verandert, dan zal de sterkte (zwakte) van de harmonische opwekking meeveranderen. Volgens de onderzoekers was die verandering een aanwijzing voor het bestaan van een meerpolige orde. “We vonden dat het licht dat werd gereflecteerd in de tweede harmonische (dubbele frekwentie; as) een stel symmetrieën vertoonde die verschillend is van de bekende kristalstructuur. Dat wijst op een meerpolige orde”, zegt de onderzoeker.
De onderzoekers keken naar kristallen van strontiumiridiumoxide (Sr₂IrO₄). De laatste jaren is veel onderzoek naar die zogeheten iridaten gedaan omdat ze overeenkomsten vertonen met cupraten, de enige familie van verbindingen die hogetemperatuursupergeleiding vertonen bij relatief hoge temperaturen van 100 graden Kelvin (= -173°C). De eerste supergeleiders vertoonde die weerstandloosheid bij temperaturen vlak boven het absolute nulpunt (0 K oftewel – 273°C), vandaar dat ‘hoge’.
De structuur van iridaten en cupraten (koperverbindingen) komen overeen. Beide typen verbindingen zijn antiferromagnetisch, elektrische isolatoren en beide krijgen steeds meer metaaltrekjes als er elektronen aan worden toegevoegd of uit worden verwijderd. Door bepaalde toevoegingen worden de isolatoren supergeleiders via een ‘faseovergang’, die pseudokloof wordt genoemd, waarbij extra energie nodig is om elektronen uit het materiaal te verwijderen. Al tientallen jaren hebben onderzoekers zich het hoofd gebroken over die pseudokloof (pseudogap in het Engels) en de relatie met de toestand/fase van de supergeleiding: is dat nu een noodzakelijke voorfase van supergeleiding of een echte fase met aparte symmetrie-eigenschappen? Als ze daar nu eens achter zouden kunnen komen, dan wordt het misschien ook wel makkelijker om materialen te ontwikkelen die supergeleidend zijn bij kamertemperaturen, denken/dachten onderzoekers.
Recentelijk is die pseudokloof ook waargenomen in Sr₂IrO₄ en Hsieh c.s. dachten dat er in die pseudokloof een meerpolige orde heerst in een bepaald temperatuurgebied en bij een bepaalde toevoeging. De onderzoekers zijn nog niet helemaal zeker (dat gaan ze nog nauwkeurig uitzoeken), maar denken dat er een directe relatie is tussen de pseudokloof en die meerpolige orde. “Andere groepen hebben tekenen van supergeleiding waargenomen in Sr₂IrO₄ zoals ook gevonden in cupraten”, zegt Hsieh. “Gegeven de grote overeenkomsten, zouden de iridaten ons het zicht kunnen bieden op de relatie tussen pseudokloof en hogetemperatuursupergeleiding.” Hij denkt dat die meerpolige orde in vele andere materialen zou kunnen voorkomen. “We zijn begonnen met Sr₂IrO₄ en dat precies waar we nu naar gaan kijken.”

Bron: Science Daily