Verrassende overeenkomst tussen zwarte gaten en hoge-temperatuur supergeleiders
We begrijpen niet hoe sommige materialen supergeleidend worden bij relatief hoge temperaturen. Leids natuurkundigen hebben nu een verrassende connectie gevonden met zwarte gaten. Het stelt ons in staat om onze kennis over zwarte gaten te gebruiken bij het oplossen van het mysterie van hoge-temperatuur supergeleiding. Publicatie in Nature Physics op 23 juli.
Sinds Heike Kamerlingh Onnes supergeleiding ontdekte in Leiden in 1911, maken veel toepassingen hier gebruik van, zoals MRI-scanners en deeltjesversnellers. Ze benutten het verrassende verschijnsel dat elektriciteit geen weerstand ondervindt bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt. Helaas kost zo’n extreme koeling veel energie. Daarom zoeken natuurkundigen over de hele wereld naar een manier om materialen te maken die supergeleidend zijn bij hogere temperaturen.
Mott-isolatoren
Alle relatief hoge-temperatuur supergeleiders die we kennen, zijn gebaseerd op zogenaamde Mott-isolatoren. In de knooppunten van hun kristalrooster zitten elektronen vast, precies één per knoop. Ze veranderen in supergeleiders als we extra elektronen injecteren. Op fundamenteel niveau snappen we niet waarom dit gebeurt. Als we het wel begrijpen, zouden we misschien nóg hogere temperatuur supergeleiders kunnen ontwerpen, die dus gemakkelijker voldoende te koelen zijn.
Moiré-patronen
Wat we wél weten: halverwege voordat de supergeleider wordt gevormd, veroorzaakt de ongelijkheid tussen het aantal elektronen en het aantal beschikbare knooppunten in het kristalrooster een gestreept patroon, een beetje zoals de bewegende Moiré-patronen die we op tv zien wanneer een ouderwets computerscherm in beeld is. Maar waarom? Dat is een sleutelvraag bij het begrijpen van Mott-isolatoren.
Zwarte gaten
Natuurkundigen zoeken naar het antwoord in een richting die je misschien niet zou verwachten: volgens hun hypothese gedragen de elektronen in hoge-temperatuur supergeleiders zich op een bepaalde manier zoals theoretische zwarte gaten. Leidse fysici Alexander Krikun, Koenraad Schalm en Jan Zaanen hebben samen met Tomas Andrade van de Universiteit van Barcelona nu hetzelfde gestreepte patroon gevonden in eenzelfde ongelijkheid tussen theoretische 'golvende' zwarte gaten en een kristalrooster. Dit bevestigt de hypothese en het betekent dat we onze kennis over zwarte gaten kunnen gebruiken om hoge-temperatuur supergeleiding beter te begrijpen.
Publicatie
Tomas Andrade, Alexander Krikun , Koenraad Schalm & Jan Zaanen, 'Doping the holographic Mott insulator', Nature Physics