Wandelende wervels in supergeleiders voor het eerst te zien
Onderzoekers van de Universiteit Leiden en de Stichting FOM en een Russische gastonderzoeker in Leiden zijn er als eersten in geslaagd bewegende beelden te maken van stroomwervels in een supergeleider. Het onderzoek leidt tot meer fundamenteel inzicht in plastisch of elastisch gedrag van materialen en misschien tot betere eigenschappen van keramische supergeleiders. De onderzoekers publiceren hun bevindingen in de Nature van 17 juni 1999.
Supergeleiders zijn materialen waarin elektronen zich zonder enige weerstand kunnen verplaatsen. Een tweede eigenschap van supergeleiders is het zogeheten Meissnereffect: in een magneetveld stoot de supergeleider de veldlijnen helemaal uit. Bij sommige supergeleiders bestaat dit Meissnereffect maar gedeeltelijk. Boven een bepaalde sterkte van het magneetveld dringen op sommige plaatsen veldlijnen weer het materiaal binnen. De veldlijnen worden door een elektrische kringstroom tot bundels samengeperst. In die bundels is de supergeleiding verdwenen, erbuiten blijft die gewoon bestaan. De combinatie van bundel en kringstroom samen heet een vortex. Het is een soort elektromagnetische draaikolk of wervel. Supergeleiders waarin wervels optreden worden type-II-supergeleiders genoemd. Daarin komen dus bij een bepaalde waarde van een extern magneetveld altijd wervels voor. Onderling stoten de wervels elkaar af, omdat ze zich als staafmagneetjes gedragen. Ze zoeken posities op, zo ver mogelijk van elkaar af. In het platte vlak loodrecht op de bundels gezien vormen de wervels daarom een honingraatstructuur.
Vastpinnen van wervels
De wervels zijn een groot probleem bij het maken van commercieel toepasbare keramische supergeleiders. Als de wervels (of vortices) zich vrij door het materiaal gaan bewegen, is het gedaan met de supergeleiding. Daarom bestaat er in de natuurkunde grote belangstelling voor het ontstaan en het gedrag van de wervels. Een oplossing om ze onschadelijk te maken is ze vast te pinnen aan defecten. In Leiden wordt daar veel onderzoek naar gedaan.
Defecten is een verzamelnaam voor onregelmatigheden die altijd wel in de kristalstructuur van een materiaal zitten. Ze worden gevormd door fouten in het kristalrooster of atomen van een ander element dan waaruit - in dit geval - de supergeleider bestaat. Defecten trekken wervels aan. Ze bieden dus een mogelijkheid om wervels in hun beweging te beperken.
Voor het eerst filmpjes van wervels
Om het gedrag van de wervels te bestuderen, gaan de Leidse onderzoekers uit van een zo zuiver mogelijke supergeleider. Zij gebruiken perfecte kristallen van de verbinding NbSe2 (niobiumdiselenide). Omdat de kern van de wervels een grotere geleiding heeft, kunnen de wervels met een scanning tunneling microscoop (STM) worden afgebeeld. De honingraatstructuur blijkt dan inderdaad aanwezig. Vervolgens gaan de onderzoekers hun supergeleidend kristal opzettelijk van defecten voorzien: ze schieten er loodionen door. Die beschadigen langs hun spoor het materiaal ernstig, waardoor plaatselijk de supergeleiding vernietigd wordt. Het spoor is daardoor een lang defect. Op de STM-plaatjes zijn de defecten als zwarte punten te zien. De punten zijn tussen 10 en 20 nanometer (een miljardste meter) in doorsnede, maar de defecten zijn in werkelijkheid minder dan 9 nanometer groot. De defecten liggen - zoals verwacht - altijd in het hart van een wervel, maar eigenlijk is natuurlijk het omgekeerde het geval: zo'n wervel is aan het defect vastgepind.
De Leidse onderzoekers produceren niet alleen plaatjes van de wervels, ze kunnen dat bovendien voldoende snel achter elkaar doen om een filmpje te maken. Voor het eerst kunnen ze nu laten zien hoe het honingraatvormige patroon van wervels als geheel door het kristal beweegt. Ook is zichtbaar hoe wervels worden aangetrokken en vastgehouden door de defecten. Soms blijven wervels mooi om een defect hangen, soms zwabberen ze een beetje rond zo'n defect. Tegelijk is ook te zien hoe de regelmatige honingraatstructuur onder invloed van de defecten verdwijnt.
Betekenis van het onderzoek
Deze en andere experimenten leveren meer inzicht op in de manier waarop wervels reageren op defecten en hoe ze door het magneetveld naar defecten gestuurd kunnen worden. Het onderzoek heeft ook nog een ander resultaat. De wervels beïnvloeden elkaar, net zoals materiedeeltjes dat doen. Omdat ze langgerekt zijn, doen ze nog het meest denken aan lange moleculen als polymeren of DNA. Kennis over de beweging van de wervels levert dan ook inzicht op in de beweging van materiedeeltjes in materialen waarin door externe processen als druk of wrijving verstoring van de kristalstructuur optreedt en plastisch gedrag een rol gaat spelen. Zonder defecten bewegen de wervels als één samenhangend netwerk, maar door de invloed van de defecten scheurt dat netwerk uit elkaar. Dat lijkt op plastische beweging. Met de STM kunnen afzonderlijke wervels worden gevolgd. In de analogie naar de materiedeeltjes leidt dat dus tot inzicht tot op het niveau van individuele deeltjes.
Voor nadere informatie kan men contact opnemen met prof.dr. Peter Kes, Kamerlingh Onnes Laboratorium, Universiteit Leiden, telefoon (071) 527 54 72, e-mail Kes@phys.leidenuniv.nl.