Waarom kunnen sommige materialen elektriciteit geleiden zonder ook maar een beetje energie te verliezen? Natuurkundigen proberen al veertig jaar te verklaren hoe dit mogelijk is bij zogenoemde hogetemperatuursupergeleiders. Onderzoekers van de Radboud Universiteit hebben nu een belangrijk deel van dat raadsel opgelost. Met extreem sterke magneten ontdekten ze welke wisselwerking tussen elektronen verantwoordelijk is voor supergeleiding in een bepaalde groep koperoxiden.
Supergeleiding is een bijzondere toestand waarin elektrische weerstand volledig verdwijnt. Een elektrische stroom kan daardoor zonder energieverlies door een materiaal lopen. Dat maakt supergeleiders interessant voor onder meer krachtige magneten, MRI scanners en toekomstige elektriciteitsnetwerken.
Het verschijnsel werd al in 1911 ontdekt door de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes. Decennialang konden wetenschappers verklaren waarom bepaalde metalen bij extreem lage temperaturen supergeleidend worden. Elektronen vormen dan zogenoemde Cooperparen, waarbij trillingen van het kristalrooster een belangrijke rol spelen.
Maar in 1986 ontdekten onderzoekers een nieuwe klasse supergeleiders op basis van koperoxiden. Deze materialen bleken bij aanzienlijk hogere temperaturen supergeleidend te worden. De bestaande theorie kon dat niet goed verklaren. Sindsdien zoeken natuurkundigen naar het ontbrekende mechanisme.
Magnetische trillingen als lijm
Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van natuurkundige Nigel Hussey van de Radboud Universiteit heeft nu sterke aanwijzingen gevonden dat magnetische fluctuaties een doorslaggevende rol spelen.
Elektronen hebben namelijk niet alleen een elektrische lading, maar ook een eigenschap die spin wordt genoemd. Daardoor gedragen ze zich op atomaire schaal enigszins als piepkleine magneetjes. De magnetische eigenschappen kunnen voortdurend veranderen, waardoor zogenoemde spinfluctuaties ontstaan.
Al langer bestond het vermoeden dat deze fluctuaties elektronen bij elkaar kunnen brengen. Wat ontbrak, was overtuigend experimenteel bewijs dat de sterkte van die wisselwerking samenhangt met de temperatuur waarbij een materiaal supergeleidend wordt.
Metingen in Nijmeegs magnetenlab
Om dat verband te onderzoeken, ontwikkelden Chinese collega’s een bijzonder dunne film van lantaan, cerium en koperoxide. Het materiaal werd atoomlaag voor atoomlaag aangebracht, waarbij de samenstelling over de lengte geleidelijk veranderde.
Daardoor ontstond één monster met verschillende kritische temperaturen: het punt waarop elektrische weerstand verdwijnt. Vervolgens brachten de onderzoekers met lithografie meerdere elektrische contacten aan. Daarmee konden ze op verschillende plekken uiterst nauwkeurig de weerstand meten.
De experimenten vonden plaats bij HFML-FELIX in Nijmegen, waar onderzoekers over zeer krachtige magneten beschikken. Door de temperatuur en magneetveldsterkte te variëren, konden ze achterhalen welke wisselwerkingen de elektrische weerstand beïnvloeden.
De uitkomst was opvallend. De belangrijkste bijdrage aan de onderzochte weerstand bleek afkomstig van elektronen die worden verstrooid door spinfluctuaties. Bovendien bleek de sterkte van deze wisselwerking direct samen te hangen met de kritische temperatuur.
Hoe sterker de wisselwerking, hoe hoger de temperatuur waarbij het materiaal supergeleidend wordt. Daarmee leveren de metingen belangrijk bewijs dat spinfluctuaties fungeren als een soort lijm die elektronenparen bijeenhoudt.
Toch ontbreekt nog een tweede ingrediënt
Daarmee is een deel van het veertig jaar oude mysterie verklaard, maar het volledige antwoord ontbreekt nog. De onderzoekers ontdekten namelijk dat sterkere spinfluctuaties alleen niet voldoende zijn om de veel hogere kritische temperaturen van andere koperoxiden te verklaren.
Volgens Hussey moet er daarom nog een tweede mechanisme bestaan dat supergeleiding bij hogere temperaturen mogelijk maakt. Welk mechanisme dat is, weten natuurkundigen nog niet. De onderzoekers willen nu achterhalen wat dat ontbrekende ingrediënt is en waarom sommige koperoxiden veel hogere kritische temperaturen bereiken dan andere. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Physics.
