Rare jongens, die elektronen

08 augustus 2011

Hoe supergeleiding werkt is voor onderzoekers allang geen geheim meer. De laatste vijf jaar hebben ze vooral aandacht voor het onverklaarbare gedrag van de elektronen die in het binnenste van supergeleiders zitten. Een internationaal onderzoeksteam met onder meer Leidse natuurkundigen zette in juli in vakblad Science de nieuwste stap naar begrip van “exotisch elektrongedrag”.

Foto: A.J. van Haasteren De Leidse fysicus Heike Kamerlingh Onnes ontdekte in 1911 supergeleiding, toen hij de weerstand van kwik bij de extreem lage temperatuur van 4 Kelvin plots zag verdwijnen. Dit is een schilderij van zijn meetopstelling, gemaakt door C.J. Matthijs.

Supergeleiding houdt natuurkundigen al bezig sinds het fenomeen in de jaren tachtig werd gezien in speciale koperverbindingen. De temperatuur waarbij deze ‘cupraten’ hun weerstand kwijt raakten, was vele malen hoger dan in metalen als kwik en lood. Zulke metalen supergeleiden alleen bij zeer extreme kou. Hoewel het in metalen geen geheimen meer kent, is supergeleiding in cupraten nog altijd grotendeels een mysterie.

Bizar

Volgens Jan Zaanen, theoretisch natuurkundige aan het Lorentz Instituut en één van de auteurs van de Science-publicatie, gaat het allang niet meer om de vraag hoe supergeleiding werkt. Veel opwindender is het vreemde, georganiseerde gedrag dat elektronen blijken te vertonen in het binnenste van supergeleiders. ‘Het is een hele wilde, rare wereld’, zegt Zaanen. ‘Theoretisch gezien is er geen touw aan vast te knopen.’

Paren

*Jan Zaanen: ‘Het is een hele wilde, rare wereld’*

Sowieso gaan elektronen bij supergeleiding al een ongewone samenwerking aan voor deeltjes die normaal niet met elkaar wisselwerken. Ze vormen paren, zogeheten Cooper-paren, die bij een bepaalde temperatuur versmelten tot een collectief dat zich ongehinderd door het materiaal kan bewegen. Maar ook als de temperatuur nog niet laag genoeg is voor supergeleiding, vormen Cooper-paren zich al in dunne riviertjes in het materiaal: zogeheten stripes.

Voorkeur

Het was Zaanen die oorspronkelijk met het idee van stripes kwam, waarna experimenten deze vermoedens bevestigden. Recentelijk bleek dat deze stripes niet symmetrisch ontstaan. ‘De stripes vormen zich maar in één richting in het materiaal’, zegt Zaanen. ‘Dat was een verrassing. Blijkbaar hebben elektronen een voorkeur voor een richting boven een ander.’

Dislocaties

*Een dislocatie in de stripes. De zwarte-witte strepen zijn de stripes in het materiaal. In het midden gaat een enkele stripe over in een dubbele: het punt van de splitsing is een dislocatie.*

In de Science-publicatie tonen Zaanen, zijn promovendus Andrej Mesaros en een internationaal team van toponderzoekers aan dat er een verband is tussen gebrek aan symmetrie en zogeheten dislocaties. Dat zijn punten waarbij enkele stripes splitsen in meerdere stripes. Het leek alsof deze dislocaties willekeurig optraden, maar ze blijken sterk bepaald te worden door de voorkeursrichting van elektronen.

Opdracht

De aanzet tot de bevindingen kwam van Zaanen. ‘Ik had al langer iets met die dislocaties, zegt hij. ‘Dus ik gaf Mesaros bij diens drie maanden durende bezoek aan Cornell University de opdracht mee om eens in de experimentele plaatjes die ze daar hebben te zoeken naar die dislocaties.’ Het verband dat ze vervolgens vonden, konden ze uit analyse van de beschikbare data bevestigen.

Grenzen verschuiven

Voor de leek is het ontzettend complexe materie, maar theoretisch natuurkundigen als Zaanen kunnen hun geluk niet op. ‘De laatste tien jaar zie je een enorme vooruitgang in de ontwikkeling van apparatuur die hele nieuwe quantumwerelden laat zien. We zien de grenzen van de wetenschap verschuiven.’ Was supergeleiding vijf jaar geleden nog hot, tegenwoordig is het hopeloos ouderwets, zoveel is duidelijk.

(18 juli 2011/Barry van der Meer)