Het mysterie van hoge-temperatuur-supergeleiding ontrafeld

Een internationaal team onderzoekers van HFML-FELIX, het Verenigd Koninkrijk, China en de VS heeft een belangrijke doorbraak bereikt op het gebied van hoge-temperatuur-supergeleiding. Zij hebben na een zoektocht van 40 jaar het mechanisme geïdentificeerd waarmee elektronen samenwerken om stroom te transporteren zonder energieverlies. Alhoewel dit mechanisme nu voor slechts één enkele materiaalfamilie is vastgesteld, brengt deze ontdekking een oplossing voor het begrijpen van hoge-temperatuur-supergeleiding in alle families een grote stap dichterbij. Het artikel over deze doorbraak is online verschenen in Nature Physics.

Supergeleiding, een kwantumtoestand van elektrische geleiding zonder weerstand, is een opmerkelijk, bijna magisch verschijnsel. Het spreekt tot de verbeelding van velen en is belangrijk vanwege de talloze toepassingen, zoals bijvoorbeeld in efficiënte magneten in een MRI scanner in het ziekhuis. Supergeleiding werd in 1911 ontdekt door de Nederlandse wetenschapper Kamerlingh Onnes (waarvoor hij in 1913 de Nobelprijs voor de Natuurkunde ontving). Het duurde nog 4 à 5 decennia voordat John Bardeen, Leon Cooper en Robert Schrieffer de eerste volledige kwantumtheorie voor supergeleiding opstelden. Hun theorie (de zogeheten BCS-theorie, naar de initialen van de drie grondleggers) beschrijft tot in microscopisch detail hoe negatief geladen elektronen een wisselwerking aangaan met trillende (positief geladen) ionen waardoor ze ongehinderd en zonder weerstand van de ene naar de andere kant van een materiaal kunnen stromen.

Hoe beter het metaal, hoe slechter de supergeleider

Merkwaardig genoeg veroorzaakt dezelfde wisselwerking ook de weerstand in een metaal. Bij afkoeling van het materiaal worden de invloed van roostertrillingen – dat zijn de voortdurende vibraties van atomen of ionen rond hun vaste positie in de kristalstructuur van het materiaal – zwakker en neemt de weerstand van het metaal af. Bij het absolute nulpunt (−273 °C) komen alle trillingen tot stilstand, maar toch verdwijnt de weerstand in dit geval niet, omdat elektronen blijven botsen op onzuiverheden in het kristalrooster.

Opmerkelijk genoeg verdwijnt de weerstand in een supergeleider al bij temperaturen boven het absolute nulpunt, terwijl de ionen dan nog steeds trillen. Dit komt doordat de elektronen paren vormen, de zogeheten Cooper-paren (een toestand bedacht door Leon Cooper). Een Cooper paar ontstaat wanneer een bewegend elektron het kirstalrooster om zich heen tijdelijk vervormt. Omdat het kristalrooster uit positief geladen ionen bestaat, wordt een tweede elektron hierdoor aangetrokken. Als de ionen in het kristalrooster langzaam genoeg trillen, dan kan hierdoor een klein beetje energie uitgewisseld worden tussen de elektronen en gaan ze zich als paar verder bewegen.

De BCS-theorie bleek bijzonder succesvol. De auteurs ontvingen er in 1972 de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor. Deze liet paradoxaal genoeg zien dat hoe beter het metaal is, hoe slechter de supergeleider. Dit komt doordat de kritische temperatuur (T_c) waaronder de weerstand verdwijnt, wordt bepaald door hoe sterk de elektronen de roostertrillingen ‘voelen’, en dat bepaalt weer hoeveel weerstand ze ondervinden boven T_c. In de BCS theorie is er echter een grens aan hoe sterk deze wisselwerking in een metaal kan zijn: de maximaal haalbare T_c is ongeveer 30 graden boven het absolute nulpunt. Dat betekende dat dure cryogene vloeistoffen nodig waren om deze unieke toestand van materie voor elkaar te krijgen. Desondanks stuwde supergeleidings-technologie al snel medische innovaties zoals MRI-scanners, grote energie-infrastructuurprojecten zoals de ITER-fusiereactor en zelfs de ontwikkeling van de Large Hadron Collider bij CERN.

Door de drempel heen

De theoretisch opgelegde bovengrens voor T_c werd uiteindelijk doorbroken in 1986, met de ontdekking van supergeleiding in lantaan-barium-koperoxide door Georg Bednorz en Alex Müller, die werkten bij IBM in Zwitserland. Binnen een jaar na hun ontdekking was de T_c in deze koperoxiden gestegen tot drie keer de historische drempel, en daarmee waren de effectieve koelkosten om supergeleiding te bereiken met een factor tien gedaald. Dit soort materialen worden hoge-temperatuur-supergeleiders genoemd.

Geen enkele natuurkundige had zich kunnen voorstellen dat T_c zulke duizelingwekkende hoogten zou kunnen bereiken, laat staan in een keramisch materiaal dat relatief makkelijk te fabriceren is. Het Nobelcomité was al even uitgelaten en kende Bednorz en Müller in 1987 de Nobelprijs voor de Natuurkunde toe, minder dan 18 maanden na hun eerste bevinding. Dat was de snelst toegekende Nobelprijs uit de geschiedenis.

Het werd al snel duidelijk dat de BCS theorie op basis van roostertrillingen hoge-temperatuur-supergeleiding niet kon verklaren. Zo begon de zoektocht naar een nieuw mechanisme.

Op naar de elektronen

De elektronen zelf werden de belangrijkste kandidaat voor dit nieuwe mechanisme. Elektronen hebben naast de lading die stroom veroorzaakt ook een spin (zoals een draaiende tol) die een piepklein magnetisch veld opwekt. Zowel de lading en de spin kunnen fluctueren in ruimte en tijd en deze fluctuaties zijn in de loop der tijd tot in detail in kaart gebracht met internationale spectroscopische faciliteiten. Wat tot nu toe echter ontbrak, was het bewijs dat de sterkte van de wisselwerking tussen de elektronen en één van deze fluctuaties gelinkt is aan de waarde van T_c. Hiervoor zijn extreem nauwkeurige metingen van de weerstand essentieel.

Het team onder leiding van prof. Nigel Hussey bij HFML-FELIX en IMM heeft nu voor het eerst dit bewijs geleverd. “Daarvoor is eerst een speciaal dunne film monster geproduceerd door onze Chinese collega’s onder leiding van prof. Kui Jin. Hierin wordt het koperoxidemateriaal, in dit geval lantaan-cerium-koperoxide, atoomlaag voor atoomlaag op een substraat aangebracht. Hierdoor is het mogelijk om over de gehele lengte van het monster een vloeiende gradiënt in Tc te maken, van de maximale waarde tot nul”, legt Hussey uit.

Met behulp van lithografie bracht het team vervolgens een reeks elektrische contacten aan op de film, zodat de weerstand kon worden gemeten bij verschillende T_c-waarden, vertelt Dr. Caitlin Duffy, voormalig student van prof. Hussey. “Samen met dr. Qihong Chen van de Chinese Academie van Wetenschappen heb ik experimenten op deze films uitgevoerd bij de hoge-magneetveldfaciliteit HFML-FELIX. Zo konden we de verandering in de weerstand bepalen als functie van temperatuur, magnetische veldsterkte en T_c. Met behulp van enkele analytische trucs konden we vervolgens de belangrijkste bron van weerstand in dit materiaal identificeren: verstrooiing van de elektronen aan de fluctuerende spins, vergelijkbaar met fluctuerende magneetjes op atomaire schaal. We ontdekten zo dat er een relatie is tussen de sterkte van deze wisselwerking en T_c. Hoe sterker de wisselwerking, hoe hoger de kritische temperatuur: een duidelijke bewijs dat de oorsprong van supergeleiding in dit materiaal inderdaad de wisselwerking is tussen mobiele elektronen en spinfluctuaties.”

Het ontbrekende ingrediënt

Maar dit is nog niet het einde van het verhaal, vervolgt prof. Hussey: “Een vergelijking van deze resultaten met onze eerdere onderzoeken in hoge magneetvelden, gepubliceerd in Nature in 2021, suggereert dat we niet zomaar de sterkte van deze interactie omhoog kunnen draaien om de echt hoge T_c-waarden te bereiken die in sommige andere materialen gevonden is. Deze nieuwe studie laat zien dat er nog een tweede ingrediënt moet zijn dat de supergeleidende overgangstemperatuur verhoogt. De volgende stap is nu om dit nog missende ingrediënt te vinden. Pas dan kunnen theoretici het mysterie van hoge-temperatuursupergeleiding volledig oplossen. Wie daar uiteindelijk in slaagt, is naar mijn mening een sterke kandidaat voor een toekomstige Nobelprijs voor de Natuurkunde.”

De volledige paper in Nature Physics: Evidence for spin-fluctuation-mediated superconductivity in electron-doped cuprates