Smelten van bevroren elektronen in beeld gebracht

20 september 2016

Voor het eerst hebben natuurkundigen het ‘smelten’ in beeld gebracht van elektronen binnen een speciale soort isolator. Het stelt elektronen in staat om vrij te bewegen en verandert de isolator in een metaal of eventueel zelfs een superconductor. Publicatie in Nature Physics.

Elektronische vloeistof

Sommige materialen geleiden een elektrische stroom gemakkelijker dan andere. Metalen zijn bijvoorbeeld goede geleiders bij uitstek. Binnenin vormen elektronen een elektronische vloeistof die door het atoomrooster stroomt. In specifieke isolatoren zitten elektronen juist vast op hun plek in het rooster; de elektronische vloeistof is dan bevroren (zie illustratie). In deze zogenoemde Mott-isolatoren kun je sommige atomen vervangen door andersoortige. Natuurkundigen noemen dit ‘doping’. Het is bekend dat doping leidt tot het smelten van de bevroren vloeistof, maar niemand weet hoe dit proces precies in zijn werk gaat.

Plassen

Leids natuurkundige Milan Allan heeft nu voor de eerste keer samen met hoofdauteurs Irene Battisti en Koen Bastiaans het smeltingsproces in beeld gebracht in een materiaalsoort genaamd iridaten. Ze ontdekten dat het smeltingsproces erg homogeen is, met plassen tussen bevroren gebieden. Deze plassen zijn slechts enkele nanometers groot (zie illustratie). De onderzoeksgroep, in samenwerking met theoretisch fysicus Jan Zaanen, publiceert haar resultaten in Nature Physics.

Supergeleiding

Behalve inzicht in fundamentele fysica, werpt de ontdekking ook licht op het mysterie van supergeleiding—een verschijnsel waarbij elektronen bewegen zonder weerstand. Supergeleiding is belangrijk omdat het elektriciteitstransport mogelijk maakt zonder energieverlies. ‘We komen tot de conclusie dat dit soort smelten een universele voorwaarde is van supergeleiding,’ zegt Allan. ‘Als we in staat zijn om de elektronische vloeistof te smelten in alle delen van het sample, wordt het waarschijnlijk een nieuwe supergeleider.'

Publicatie

I. Battisti, K.M. Bastiaans, V. Fedoseev, A. de la Torre, N. Iliopoulos, A. Tamai, E.C. Hunter, R.S. Perry, J. Zaanen, F. Baumberger, M.P. Allan, ‘Universality of pseudogap and emergent order in lightly doped Mott insulators’, Nature Physics (2016)

Het smelten van elektronen. In de blauwe gebieden zitten de elektronen (rode stippen) vast aan de atomen in het rooster (groene cirkels), wat betekent dat er geen stroom loopt. In de rode gebieden zijn doteringsatomen (zwarte cirkels) toegevoegd, zodat de elektronen ruimte krijgen om te bewegen en ze zich gedragen als een vloeistof (dit heet doping). De onderzoekers verwachten dat zodra het hele gebied is gesmolten, het materiaal een ‘hoge temperatuur’-supergeleider wordt.
Links: meting. Rechts: illustratie van het concept.

Header image: Afbeelding gemaakt op basis van data van een Scanning Tunneling Microscope (STM). Rode ‘bergen’ zijn gesmolten elektronen. De blauwe gedeeltes representeren bevroren elektronische vloeistof.