Regendruppel-op-het-dak-techniek verraadt nieuwe quantumvloeistof

28 oktober 2021

Natuurkundige Koen Bastiaans en collega's hebben een nieuwe quantumvloeistof ontdekt. Dat is ze gelukt met een techniek die te vergelijken is met luisteren naar regendruppels die op het dak vallen. Publicatie in Science, 29 oktober 2021.

Wie herinnert zich nog die ouderwetse gloeilampen? Ze gaven een gezellige warme gloed, maar ze werden wel erg warm en zouden tegenwoordig je elektriciteitsrekening flink doen oplopen. Waarom? Omdat ze gemaakt zijn van een materiaal met een grote elektrische weerstand. Alle materialen hebben een zekere weerstand tegen elektriciteit.

Alle materialen? Nee, een kleine klasse van veel bestudeerde materialen die supergeleiders heten niet. Daar kan elektrische stroom doorheen lopen zonder weerstand, als ze tenminste afgekoeld worden naar (extreem lage) temperaturen. Hoe dat precies werkt is een van de hardnekkige geheimen van de natuurkunde.

Theorie uit de leerboeken

Er is een theorie die verklaart waarom sommige materialen supergeleidend worden: als ze afgekoeld worden tot onder de overgangstemperatuur, vormen de elektronen in het materiaal paren, de zogeheten Cooperparen. Vervolgens condenseren deze Cooperparen tot een quantumvloeistof die zonder weerstand door het materiaal vloeit. Dit veroorzaakt de supergeleiding.

Tot nog toe dachten natuurkundigen dat de vorming van Cooperparen en de condensatie naar een weerstandsloze toestand een gezamenlijk proces was, dat dus tegelijkertijd gebeurt. 'Dat is wat in alle leerboeken staat', zegt natuurkundige Koen Bastiaans, eerste auteur van het artikel.

Mysterieuze quantumvloeistof

Het kwam daarom als een verrassing dat Bastiaans en collega's ontdekten dat Cooperparen ook kunnen bestaan boven de overgangstemperatuur, waar ze een nieuwe, mysterieuze quantumvloeistof vormen. 'Dat betekent dus
dat de vorming van Cooperparen los staat van het condenseren zelf', zegt Bastiaans, 'voor mij heeft dat mijn ideeën over supergeleiding helemaal omgegooid.'

Het onderzoek is begonnen in nauwe samenwerking met de TU Delft en het ruimteonderzoekinstituut SRON, met een focus op de supergeleider TiN (titaniumnitride), een materiaal dat ook gebruikt wordt in zeer gevoelige optische detectoren in het ruimteonderzoek.

Regendruppels op het dak

Voor het detecteren van Cooperparen gebruikte de Leidse groep een nieuwe techniek die het mogelijk maakt om te 'luisteren' naar de elektronen in de supergeleider. Als dit losse elektronen zijn, is het ruis-spectrum anders dan wanneer de elektronen elkaar opzoeken om Cooperparen te vormen. 'Het is een beetje alsof je luistert naar regendruppels die op het dak vallen', legt Bastiaans uit in een video, 'als de druppels dikker worden, klinkt de regen anders.' Zo maten de onderzoekers de ruis in supergeleidend TiN, dat duidelijk liet zien dat de elektronen Cooperparen gevormd hadden.

Scanning Tunnelling Microscope-beeld van het titaniumnitride

'Het beste moet nog komen'

Toen de temperatuur verhoogd werd boven 2,95 Kelvin (2,95 graden boven het absolute nulpunt van -273 graden Celsius) verdween de supergeleiding, zoals je ook verwacht. Maar de Cooperparen bleven bestaan totdat de temperatuur zo'n 7,2 Kelvin was. 'Dus je kunt Cooperparen hebben die niet gecondenseerd zijn en zonder supergeleiding', zegt Bastiaans, 'Eerder waren er wel aanwijzingen geweest dat dit mogelijk was, maar nooit onweerlegbaar bewijs. Het betekent dat we een nieuw soort quantumvloeistof hebben gevonden: een materietoestand die elektrische weerstand heeft, maar toch gemaakt is van Cooperparen.'

De ontdekking, gepubliceerd in het vakblad Science, biedt nieuwe inzichten voor natuurkundigen die supergeleiding willen verklaren. Het laat zien dat de vorming van Cooperparen en condensatie afzonderlijke processen zijn.

'Het is grappig', zegt Bastiaans, nu postdoc aan de TU Delft, 'de belangrijkste metingen voor deze publicatie heb ik ingezet op de avond vóór mijn promotie in Leiden. Tijdens die promotie zei mijn promotor: "Het beste moet nog komen", daar had hij dus wel gelijk in.'