In de jaren ’80 maakte de kritische temperatuur waar beneden supergeleiding heerst een ‘sprong’

Een 36 jaar oude theorie over hoe supergeleiding bij wat wat hoogdravend hogetemperatuu-rsupergeleiders worden genoemd werkt blijkt het aan het rechte eind gehad te hebben, maar nog steeds is allesbehalve duidelijk waar die sterke supergeleiding vandaan komt in cupraatkristallen. Het verschijnsel laat niet meteen al zijn geheimen oplossen.
Al tientallen jaren stellen de supergeleidende eigenschappen van een familie van kristallen natuurkundigen met kwellende stomheid. Nu lijkt het er op dat een nieuw experiment dat supergeleiding op atoomniveau in beeld brengt eindelijk een groot deel van haar raadselachtigheid heeft prijsgegeven. Bijna iedere supergeleideroloog schijnt in hogere staten te verkeren. Elektronen lijken een elkaar aan te moedigen om wrijvingsloos te gaan bewegen. Het fraaie ervan is dat zoiets 36 jaar geleden al werd gesuggereerd in de BCS-theorie.
“Het bewijs is schitterend en direct”, zegt zegt Subir Sachdev van de Harvarduniversiteit, die zich met cupraten bezighoudt. De metingen kwamen overeen met de voorspellingen die de supergeleiding van cupraten toeschrijft aan een kwantumfenomeen dat superuitwisseling (een koppeling tussen elektronenspins en pulsmomenten; zie verderop) wordt genoemd.

John Bardeen, Leon Cooper, en John Robert Schrieffer (die BCS) publiceerden op 1 december 1957 hun Nobelprijswinnende theorie. Die zegt zoiets als dat trillingen die door rijen atomen bewegen de atomen als het ware aan elkaar lijmen. Het negatief geladen elektron zorgt in een dans met de positief geladen atoomkernen voor een ‘rimpeling’. Die trekt een tweede elektron aan. Ondanks hun elektrische afstoting tussen twee negatief geladen deeltjes vormen die toch een zogeheten Cooper-paar.
“De natuur houdt ons voor de gek”, zegt Jörg Schmalian van het Duitse KIT. “Dat Cooperpaar had er helemaal niet moeten zijn.”

onvermijdelijk

Nog meer ‘grappen’ uit de trucendoos van de kwantummechanica maakt supergeleiding onvermijdelijk. Normaal overlappen elektronen elkaar niet, maar daar hebben Cooperpaarelektronen lak aan. Ze doen eigenlijk net of ze lichtdeeltjes zijn. Veel Cooperparen komen bij elkaar en vormen een afzonderlijke kwantumtoestand, een supervloeistof, die ongevoelig wordt voor de lading van atomen die ze passeren.

De BCS-theorie verklaart waardoor kwik en veel andere metalen supergeleiden als ze gekoeld worden tot bij het absolute nulpunt (0 K oftewel rond -273°C). Atomische rimpelingen zijn de zwakste ‘lijmen’. Als je de temperatuur een paar graden opvoert gaan de atomen harder bewegen en verdwijnen de kristalroostertrillingen.
In 1986 kwam de, voor supergeleiderologen, Grote Sprong Voorwaarts met de gelaagde materialen van de IBM-onderzoekers Georg Bednorz en Alex Müller. Daarmee ‘sprong’ de supergeleidingstemperatuur in een keer naar 30 K.
Inmiddels ligt de lat al op 130 K, boven de temperatuur van vloeibare stikstof en wordt er breed gedroomd over materialen die supergeleidend zijn bij kamertemperatuur. Die is inmiddels al wel bereikt, maar onder omstandigheden die niet bepaald praktisch zijn zoals gigantische drukken. Er zijn overigens ook twijfels over die resultaten.

De inmiddels overleden Amerikaanse Nobelprijswinnaar Philip Anderson publiceerde vlak na de publicatie van Bednorz en Müller een theorie over wat hogetemperatuursupergeleiders werden genoemd. Volgens Anderson was de lijm de superuitwisseling die elektronen laat hoppen. Dan wordt de plaatsbepaling van de elektronen erg moeilijk. Hun impulsmoment is wel scherp bepaald. Dat kan een lager impulsmoment zijn en dus lagere energietoestand die deeltjes van nature opzoeken.
Elektronen schijnen graag te huppelen met bij voorkeur de hun elektronspin tegengesteld aan die van de buurman. Zo zorgt de superuitwisseling in sommige materialen voor een net omhoog/omlaag-spinpatroon. In die toestand houden de elektronen netjes (een bepaalde) afstand. Deze aantrekking zou volgens Anderson zorgen voor krachtig verbonden Cooperparen. Het was voor praktische onderzoekers moeilijk om te bewijzen dat die theorie klopte (of niet). Het is heel lastig om elektronenparen in het ‘zicht’ te krijgen.
Séamus Davis van de universiteit van Oxford en zijn collega’s kregen dat nu wel voor elkaar. Je zou bijna zeggen, als die term niet zo afgesleten was, dat dit baanbrekend onderzoek is. “In de vastestofnatuurkunde is (was er dus; as) niks om zoiets te doen.”
Zij vonden door veel experimenteren (en vaak hun kop te stoten) een manier om die Cooperparen te kunnen ‘strikken’. Ze paste daar toe een rastertunnelmikroskoop aan dat ze de stroom van elektronenparen konden meten. Zo konden ze de dichtheid van die Cooperparen bepalen rond elk atoom. De eerste beelden van zo’n Cooperpaarzwerm publiceerden ze in 2016.

In datzelfde jaar kwamen Chinese onderzoekers met een belangrijke deel van het bewijs van Andersons theorie. Die toonden aan dat het makkelijker voor elektronen wordt om heen en weer te bewegen tussen koper- en zuurstofatomen hoe hoger de kritische temperatuur (ik neem aan dat hier bedoeld wordt de temperatuur waar beneden een cupraat supergeleidend wordt; as) is (en dus de lijm sterker). Davis en de zijnen legden de laatste hand aan het bewijs.

Aha-moment

Het aha-moment kwam volgens Davis tijdens een Zoomvergadering in 2020. Zo zaten bij BSCCO, oftewel bisko (bismuth strontiumcalciumkoperoxide) koper- en zuurstofatomen golvend geperst tussen lagen (andere?) atomen. Daardoor varieert de afstand tussen atomen. Dat heeft effect op de energie die nodig is om te hoppen.
Voor theoretici betekent dat hoofdpijn. Die houden van netjes. Experimentalisten hebben daar minder problemen mee zeker niet als ze krijgen wat ze willen hebben: een reeks huppelenergieën in een monster. En zo geschiedde.

Het bleek dat waar elektronen moeite met bewegen hadden de supergeleiding zwak is, waar makkelijk sterk. Die verhouding tussen huppelenergie en Cooperpaardichtheid komt vrij nauwkeurig overeen met een voorspelling uit 2021 van Tremblay et. al. en dat past in Andersons theorie. Superlijm zou dan superuitwisseling zijn.
Ali Yazdani van de Princetonuniversiteit, die soortgelijke technieken ontwikkelde om cupraten te bestuderen, denkt dat er nog altijd een kans bestaat dat de lijmkracht en het gemak om te huppelen ergens anders vandaan komen. Het uiteindelijk bewijs zou volgens hem moeten komen door met behulp van superuitwisseling echt gave supergeleiders te ontwikkelen. Als dat niet lukt dan lijkt het er op dat nog (lang) niet alles verklaard is.

Superuitwisseling zou ook een hard plafond kunnen hebben waardoor de kritische temperatuur niet hoger dan een bepaalde grens kan zijn en misschien hebben we die, onder praktische, hanteerbare omstandigheden, al bereikt. Dat zijn zorgen voor later. Voorlopig zijn de supergeleiderologen nog (even?) in de zevende hemel.

Bron: Wired/Quanta Magazine