Promovendus ontwerpt theorie voor supergeleiding bij hoge temperaturen

04 mei 2011

Supergeleiding bij kamertemperatuur zou enorme besparingen opleveren voor hoogspanningsleidingen en apparatuur als MRI-scans. Maar er was nog geen theorie die laat zien of en hoe het kan. Leids fysicus Jian-Huang She ontwierp er een. Deze verklaart hogetemperatuur supergeleiding uit een bizarre kwantumkritische fase-overgang op het niveau van elektronen. Ook de snaartheoretici zijn geinteresseerd. She promoveert op 3 mei.

*Een supergeleider kan vrij zweven in een magneetveld (foto Van der Waals Zeeman instituut, UvA).*

De door Kamerlingh Onnes in 1911 ontdekte supergeleiding bij ultra-lage temperaturen is goed te verklaren. Maar de in 1986 ontdekte hoge-temperatuur supergeleiders zijn nog steeds een theoretisch raadsel. De beste bekende supergeleiders, met als bestanddeel koperoxide, moeten altijd nog nog afkoelen tot onder een kritische temperatuur van 150 Kelvin (-123oC), willen ze hun elektrische weerstand verliezen. Een materiaal met een kritische temperatuur van 300 Kelvin – rond kamertemperatuur - zou enorme besparingen opleveren voor hoogspanningsleidingen en apparatuur als MRI-scans. Niemand weet of dat bestaat, omdat er nog geen adequate theorie over is.

Fase-overgang

Voor supergeleiding vlak boven het absolute nulpunt (0 tot 30 Kelvin), hebben we al sinds de jaren vijftig de relatief simpele BCS-theorie, in wezen een uitbreiding van de theorie over gewone elektrische geleiding in metalen. De overgang van gewone naar supergeleiding is een fase-overgang, ongeveer zoals waterdamp bij 0 graden Celsius in vloeibaar water verandert. De vrije elektronen in een metaal vormen een simpel soort gas, dat bij een dalende temperatuur kan condenseren tot een supergeleidende vloeistof.

Kwantumkritische toestanden

She ontwikkelde voor de hoge-temperatuur supergeleiders een theorie over kwantum-kritische toestanden. Daarin zijn niet alleen de temperatuur, maar ook grootheden als de magnetisatie en de druk in het materiaal precies getuned om een bizar soort fase-overgang te laten plaatsvinden. De elektronen in een kwantumkritische toestand vertonen collectief gedrag (ze zijn sterk gecorreleerd), terwijl dat gedrag toch heel grillig is. Mogelijk kan dit de abnormaal hoge kritische temperatuur van koperoxides verklaren.

Kamertemperatuur

De theorie is gecompliceerd, maar biedt zicht op getunede materialen met een nog hogere kritische temperatuur dan 150 Kelvin. Is kamertemperatuur ooit haalbaar? Huang She: ‘Persoonlijk geloof ik dat het kan. Tot een jaar of dertig geleden dacht men dat supergeleiding boven 30 Kelvin principieel onmogelijk was, en toen werden de hoge-temperatuursupergeleiders ontdekt. Ik denk wel dat we naar een andere groep materialen dan de koperoxides moeten kijken, bijvoorbeeld de recent ontdekte supergeleiders op basis van ijzer.’

Snaartheorie

Ook de snaartheorie komt in zijn proefschrift om de hoek kijken. De laatste jaren rekenen namelijk ook snaartheoretici aan vaste-stoffysica. Een door Gerard ‘t Hooft bedachte wiskundige aanpak voor zwarte gaten en elementaire deeltjes, het holografisch principe, bleek bij uitstek toepasbaar op supergeleiding.

Kwantumzwaartekracht

She’s promotor Jan Zaanen, hoogleraar Gecondenseerde materie aan het Leidse Lorentz Instituut: ‘Die “holografische” supergeleiding uit de snaartheorie lijkt verbluffend veel op de theorie van Huang. Het slechte nieuws is: als de holografische theorie waar is, dan bestaat supergeleiding bij kamertemperatuur niet.’ Het goede nieuws: ‘Het betekent wel dat supergeleiding in koperoxides aanwijzingen geeft over de werking van kwantumzwaartekracht.’ Kwantumzwaartekracht is de veronderstelde theorie die Einsteins relativiteitstheorie en de kwantumtheorie zou moeten verenigen. Zaanen heeft zelfs een experiment met supergeleiders ontworpen dat de holografische theorie kan toetsen, en experimentatoren zijn er al mee aan de slag. Zaanen: ‘Snaartheoretici vinden dit echt prachtig.’

Fermions, Criticality and Superconductivity
Jian-Huang She
Promotie dinsdag 3 mei 2011, 13.45 uur
Academiegebouw
Promotor: prof.dr. Jan Zaanen