Hoge-temperatuur supergeleiders blijven raadselachtig
Bijna twaalf jaar geleden werd een groep materialen ontdekt die bij relatief hoge temperaturen zonder enige weerstand elektrische stroom geleiden. Deze zogeheten hoge-temperatuur supergeleiding lijkt daarom technologisch van groot belang. De eerste toepassingen van deze supergeleiders zijn er inmiddels, maar waarom deze materialen bij relatief hoge temperaturen supergeleidend zijn, is nog altijd niet begrepen. Een van de meest toonaangevende onderzoekers op dit gebied, de Amerikaan Philip W. Anderson, heeft onlangs een aantrekkelijk model opgesteld dat experimenteel kan worden getoetst. Een groep van Nederlandse, Amerikaanse en Russische onderzoekers heeft nu zo'n experiment uitgevoerd en de theorie op vrij spectaculaire manier onderuit gehaald. Zij publiceren hierover in het nummer van Nature van deze week.
De meest karakteristieke eigenschap van de hoge-temperatuur supergeleiders is hun laagsgewijze opbouw. Ze bestaan uit gestapelde vlakken van koperoxide, die met elkaar verbonden zijn door twee typen andere atomen, uit de bariumgroep en uit de groep van de zeldzame aarden (bijvoorbeeld yttrium of lantaan of tallium). In gewone toestand geleiden deze materialen elektriciteit vrij goed evenwijdig aan de kopervlakken, maar slecht loodrecht op de vlakken. In klassieke supergeleiders, die alleen dicht bij het absolute nulpunt die eigenschap hebben, treedt supergeleiding op doordat elektronen overal in het materiaal paren gaan vormen.
Theoretici zoeken ook voor de hoge-temperatuur supergeleiders de verklaring van de supergeleiding in paarvorming van elektronen. Elektronen worden, net als andere elementaire deeltjes, beschreven door twee eigenschappen: hun lading en hun draaiing of spin (ze tollen voortdurend om hun as). Anderson heeft nu een radicaal nieuwe aanpak gekozen.In zijn model treedt, ten gevolge van de zogeheten sterke wisselwerking, scheiding op van spin en lading. De lading en de spin gaan zich gedragen als onafhankelijke deeltjes, die afzonderlijk door het materiaal kunnen bewegen. De spindeeltjes noemt Anderson spinonen, de ladingsdeeltjes holonen. Holonen kunnen min of meer ongehinderd door de koperoxidevlakken bewegen. Beweging van het ene vlak naar het andere gaat echter niet zonder wrijving. Dit heeft tot gevolg dat de holonen opgesloten zitten in de koperoxidelagen (die zijn ongeveer 0,4 nanometer dik; één nanometer is een miljoenste millimeter). In het model van Anderson treedt een dergelijke opsluiting echter niet op voor paren van holonen. De quantummechanica voorspelt dan dat gepaarde holonen minder bewegingsenergie hebben dan 'losse' holonen. Bij een voldoende lage temperatuur stabiliseert dit de supergeleidende (gepaarde) toestand ten opzichte van de normale (ongepaarde) toestand. Dit verklaart volgens hem de relatief hoge temperatuur waarbij het materiaal supergeleidend is.
Experiment in Groningen
De theorie van Anderson voorspelt dat er een evenredig verband is tussen de kritische temperatuur waarbij de supergeleiding inzet en de bewegingsenergie van paren loodrecht op de koperoxidevlakken. De kritische temperatuur en de bewegingsenergie kunnen beide experimenteel gemeten worden. Zo'n experiment werd als eerste bij de supergeleider LaSrCuO uitgevoerd. Dit materiaal wordt supergeleidend bij een temperatuur van 35 kelvin (-238 graden Celsius); de test viel goed uit voor het model van Anderson.Dit was voor een internationale groep van onderzoekers, werkzaam bij de Rijksuniversiteit Groningen, de Stichting FOM, het Lebedev Instituut in Moskou, Princeton University, de State University van New York en het Instituut voor Vaste Stof Fysica van de Russische Academie van Wetenschappen aanleiding de theorie te testen op de supergeleider TL2Ba2CuO2. Deze wordt supergeleidend bij 90 graden kelvin (-183 graden Celsius) en heeft een betrekkelijk eenvoudige kristalstructuur, waarin alle afstanden tussen naburige koperoxidevlakken gelijk zijn. Het materiaal is dus een niet al te ingewikkeld modelsysteem.
Als Anderson gelijk heeft, dan moet van de normale naar de supergeleidende toestand van het materiaal de bewegingsenergie van de ladingsdragers afnemen.
Experimenteel manifesteert zich dit doordat in de supergeleidende toestand een scherpe resonantie kan worden opgewekt, waarbij de ladingsdragers loodrecht op de koperoxidevlakken heen en weer oscilleren. Uit de resonantiefrequentie (ongeveer 1 terahertz ofwel duizend miljard keer per seconde) kan het verlies aan bewegingsenergie van de paren rechtstreeks berekend worden. Deze resonantie kan worden gemeten door een bundel infraroodstraling over de supergeleider te laten scheren. Als de frequentie van de infraroodstraling dezelfde is als die van de resonantie, dan wordt de teruggekaatste straling afgezwakt; de onderzoekers zien dus een 'deuk' in het gereflecteerde spectrum. Een instrument om die scherende infraroodstraling goed te meten, bestond nog niet en is in Groningen speciaal ontwikkeld.
De bewegingsenergie van de paren kan ook worden berekend uit de diepte waarover magneetvelden in de supergeleider kunnen binnendringen. Deze diepte kan rechtstreeks worden bepaald met behulp van een mini-apparaatje dat supergevoelig is voor zeer kleine veranderingen in een magneetveld. Zo'n apparaatje heet een SQUID (wat staat voor superconducting quantum interference device).
Theorie sneuvelt
Uit deze metingen kan de afname van de energie tussen de koperoxidevlakken worden afgeleid. Helaas voor Anderson, de onderzoekers vinden waarden die een factor tien afwijken van wat de theorie voorspelt. De afname van de bewegingsenergie van ladingsdragers tussen de lagen is kennelijk niet het (enige) mechanisme dat supergeleiding veroorzaakt. De hoge-temperatuur supergeleiders hebben hun geheim nog niet prijsgegeven.
Voor verdere informatie kan men terecht bij prof.dr. Dick van der Marel, Rijksuniversiteit Groningen, telefoon (050) 363 72 29 of (050) 363 48 26.