Paradox in supergeleiding bij hoge temperatuur
Nature publiceert een artikel over een paradoxale ontdekking op het gebied van supergeleiding. Natuurkundigen zijn op zoek naar supergeleiding bij hoge temperatuur zodat minder koeling nodig is in bijvoorbeeld MRI-scanners. News & Views artikel van prof. Jan Zaanen in dezelfde uitgave van 19 augustus.
Supergeleiding is een bizar en tegelijkertijd erg nuttig natuurkundig verschijnsel. Door een materiaal af te koelen tot onder een kritische temperatuur, verdwijnt zijn elektrische weerstand plotseling volledig. Zo kun je gemakkelijk stroom door een kabel sturen zonder energieverlies. Dat is erg handig voor bijvoorbeeld windmolens en elektromagneten.
News & Views
Het probleem hierbij is de koeling, die uiteindelijk tóch weer energie kost. Daarom jagen natuurkundigen met man en macht op een materiaal dat supergeleidend is bij een niet al te lage temperatuur. In een News & Views artikel in Nature beschrijft Leids natuurkundige Jan Zaanen nu hoe een nieuwe ontdekking op dit gebied tot een interessante paradox leidt.
Paartjes
De ontdekking, gedaan door Ivan Božović van Yale University, heeft te maken met koperoxiden. Die geleiden in principe geen stroom. Hun elektronen hebben een te sterke interactie en houden elkaar vast, zoals auto’s in een file. Maar als je wat elektronen wegneemt krijgt de rest ruimte om te bewegen. Dit doen ze in de vorm van paartjes. Deze elektronparen kunnen zelfs zó goed bewegen dat er supergeleiding optreedt, ook al is de temperatuur relatief hoog.
Paradox
Door teveel elektronen weg te nemen, ontstaat er een overschot aan lege plekken. Hierdoor vinden de paartjes elkaar moeilijk en gaat de kritische temperatuurwaarde omlaag. Alles lijkt er op te wijzen dat de beroemde Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) theorie uit 1957 van toepassing moet zijn in dit geval. Deze theorie beschrijft heel precies de kwantumfysica van conventionele supergeleiders. Een contra-intuïtieve voorspelling van BCS is dat alle elektronen moeten deelnemen in de supergeleiding, ook al is de kritische temperatuurwaarde heel laag. Božović ziet het aantal deelnemende elektronen juist proportioneel afnemen met de kritische temperatuurwaarde. Zoals Zaanen uitlegt is dit een schijnbare paradox die niet verklaard kan worden met ons huidige begrip van de kwantumfysica.