Leidse natuurkundigen fotograferen klonterige supergeleider
Hoge-temperatuur-supergeleiding is een van de grootse raadsels in de natuurkunde. Milan Allans onderzoeksgroep gebruikte een Josephson Scanning Tunneling Microscope om voor het eerst beelden te maken van de ruimtelijke variatie van supergeleidende deeltjes. Het leverde ze een Nature-publicatie op.
‘Een van de raadsels van hoge-temperatuur-supergeleiding is de mogelijkheid dat ze inhomogeen zijn. Dat betekent dat de dichtheid van de Cooper-paren die de supergeleiding veroorzaken, varieert in de ruimte’, zegt natuurkundige Milan Allan van LION, ‘wij hebben nu laten zien dat supergeleiders erg inhomogeen kunnen zijn, door beelden te maken van de dichtheid’
De ontdekking leverde Doohee Cho, Koen Bastiaans, Damianos Chatzopoulos em Allan eem Nature-artikel op, en kan helpen bij het verklaren van het mysterieuze verschijnsel.
Gewone’ supergeleiding, waarbij een materiaal elektrische stroom geleidt zonder enige meetbare weerstand, is ontdekt in 1911 doorde Leidse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes. Het viel hem op dat de elektrische weerstand van kwik verdween bij een extreem lage temperatuur van 4,2 Kelvin.
Zeilbootjes
Dat was vreemd en onverwacht. Normaal gesproken botsen elektronen die door een metaal stromen met atomen of onregelmatigheden in het kristalrooster, wat leidt tot elektrische weerstand.
Pas in 1957 wed het verschijnsel verklaard door de natuurkundigen Bardeen, Cooper en Schrieffer. Zij lieten zien hoe elektronen die door een kristal stromen, elkaar kunnen voelen via trillingen in het kristalrooster, waardoor ze koppels vormen die ‘Cooperparen’ worden genoemd.
Anders dan elektronen kunnen Cooperparen samenvloeien tot één groot collectief dat door het kristal beweegt. Dit collectief is veel groter dan losse atomen of onregelmatigheden in het kristal, en wordt daardoor niet gehinderd. Dit lijkt een beetje op een grote golf die door een peloton zeilbootjes loopt zonder daardoor tegengehouden te worden, waar kleine golfjes wel gestopt worden als ze tegen de boten klotsen.
Hoge-temperatuur-supergeleiders
Tamelijk onverwacht ontdekten de Zwitserse natuurkundigen Bednorz en Müller in 1986 een klasse materialen die supergeleiding vertonen bij de ongekend ‘hoge’ temperatuur tot wel 90 Kelvin. Nog altijd tamelijk koel, maar toch warm genoeg om te spreken van ‘Hoge Temperatuur-supergeleiding.’
De ontdekking beloofde ongekende technologische toepassingen, van superzuinige stroomkabels, tot magneetzweeftreinen, want wie weet kon de overgangs temperatuur wel opgevoerd worden tot kamertemperatuur.
‘Maar de belofte werd niet waargemaakt’, zegt Allan. Weliswaar verschijnen toepassingen mondjesmaat op de markt maar het stijgen van de benodigde overgangstemperatuur stokte als snel. Onder andere doordat theoretisch natuurkundigen begrijpen nog altijd begrijpen niet hoe hoge-temperatuur-supergeleiding werkt, ondanks decennia van experimenteren en theoretiseren.
Bekend was inmiddels wel dat Cooperparen in deze supergeleiders kleiner zijn en dunner gezaaid dan in gewone supergeleiders.
-
topography of the crystal -
density of the Cooper pairs -
coherence of the Cooper pairs
Josephson STM
‘Mensen hebben het al tien, vijftien jaar over inhomogeniteit’, zegt Allen, ‘maar het is nooit zichtbaar gemaakt.’ Om dat te doen gebruikte Allans groep een speciaal soort Scanning Tunneling-microscoop (STM), die een monster in beeld brengt door een dunne naald langzaam boven het oppervlak te laten bewegen. Terwijl de naald het oppervlak afscant, worden de plaatselijke eigenschappen in kaart gebracht, met als resultaat een beeld met atoomresolutie.
Het gebruikte type STM is een Josephson-STM, die het Josephson-effect gebruikt: twee supergeleidende stromen kunnen een kleine niet-geleidende tussenruimte overbruggen, in dit geval de ruimte tussen de naald en het monster. Door die Josephson-stroom te meten kun je de dichtheid van de Cooperparen en ook -bij iets andere instellingen- de coherentie van de Cooperparen, een maat voor hun stabiliteit.
Klonterende Cooperparen
Op de opnamen, die ieder zo’n drie dagen scannen kosten, bleek dat zowel de coherentie als de dichtheid erg inhomogeen te zijn.
Om uit te sluiten dat die inhomogeniteit veroorzaakt werden door het kristalrooster zelf, maakten de natuurkundigen daar ook STM-opnamen van, maar dat leverde een heel ander patroon op. Allan: ‘Dat toont aan dat de inhomogeniteit niet gewoon een gevolg is van de kristalstructuur, maar van de Cooperparen zelf’
Josephson STM’s aren al eerder gebouwd, zegt Allan, maar niet met de de resolutie en betrouwbaarheid waarmee de beelden gemaakt zijn. ‘We konden dit doen door de som van veel afzonderlijke technische verbeteringen. En door precies het juiste materiaal te kiezen.’ Het zorgvuldig geselecteerde ijzertelluurselenide (FeTeSe) is een hoge-temperatuur-supergeleider, maar wel een relatief eenvoudige.
Een nieuw soort Lens
De gegevens kunnen theoretici, zoals Jan Zaanen en Koenraad Schalm in Leiden, verder helpen in het oplossen van het mysterie, en Allan hoopt snel andere materialen te onderzoeken. Allan: ‘Het is een nieuw soort lens. Eindelijk kunnen we een sleuteleigenschap van supergeleiders zien die voorheen onzichtbaar was’
Bruno van Wayenburg
