Exotisch geacht verschijnsel in supergeleiders heel gewoon
Of supergeleiders nuttige eigenschappen hebben voor toepassingen, hangt sterk af van het gedrag en de structuur van zogeheten wervels, microscopisch kleine buisjes van samengedrukt magneetveld, in die materialen. Via die wervels beweegt een uitwendig magneetveld door het materiaal. De wervels staan dan ook in sterk in de belangstelling van onderzoekers aan supergeleiding. In de leerboeken staat dat elke wervel altijd heel eenvoudig is georganiseerd: hij draagt één eenheid van magnetische flux met zich mee. Dat is onjuist, zo rapporteert een groep natuurkundigen uit Nijmegen, Manchester, Antwerpen, Tsjernogolovka en Novosibirsk in Nature van 7 september. Ze hebben experimenteel aangetoond dat de wervels bij binnendringen zelden een hele fluxwaarde dragen. Dit werd bijna 40 jaar geleden door de grondleggers van de fysica van de supergeleiding voorspeld, maar is nu pas voor het eerst door waarnemingen bevestigd. Uit die waarnemingen blijken wervels met minder dan één eenheid van magnetische flux helemaal niet zo exotisch als altijd werd gedacht. Bovendien ontdekten de onderzoekers dat bij het binnendringen van wervels soms zelfs meer magneetveld uitgedreven wordt dan er binnendringt. Dit is geheel tegen de algemene verwachting in, maar lijkt veel voor te komen. Deze verschijnselen zijn van belang bij heel kleine en heel dunne supergeleiders en waarschijnlijk ook bij grote supergeleiders, maar daar kan deze veronderstelling op dit moment nog niet experimenteel worden getoetst.
Supergeleiders zijn materialen die zonder weerstand elektrische stroom geleiden. Een van de twee karakteristieke eigenschappen van een supergeleider is dat het materiaal in een magneetveld de veldlijnen helemaal uitdrijft. Dat is de reden dat een supergeleider boven een magneet kan zweven. 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. De combinatie van bundel en kringstroom is een soort elektromagnetische draaikolk en wordt vortex of wervel genoemd. In een bepaald type supergeleiders (type-II, dat belangrijk is voor alle toepassingen) komen deze wervels altijd voor. In de wervels is de supergeleiding verdwenen, erbuiten blijft die gewoon bestaan. In supergeleidend materiaal komen de wervels in de regel aan de randen binnen en dringen dan verder door in het materiaal. Het gedrag van de wervels en hun structuur bepaalt de mate van supergeleiding van het materiaal en hoe goed het materiaal is voor gebruik in supergevoelige elektronica, krachtige magneten en hoogspanningskabels. Daarom wordt er aan die wervels veel onderzoek gedaan.
Voorspelling uit 1961
In het gemiddelde leerboek staat dat een binnendringend magneetveld dat altijd doet in de vorm van geheel aantal wervels, waarbij elke wervel één eenheid van magnetische flux (één fluxquantum) meedraagt. In 1961 hebben Bardeen en Ginzburg, de grondleggers van de fysica van de supergeleiding, erop gewezen dat de hoeveelheid flux afhangt van de afstand tussen rand van het materiaal en de wervel en dat die hoeveelheid kleiner dan één fluxquantum kan zijn. Omdat dit nooit experimenteel werd bevestigd, ging iedereen ervan uit dat het verschijnsel zeldzaam was en daarom verwaarloosbaar.
In het Hoge Magneetvelden Laboratorium van de Katholieke Universiteit Nijmegen is, mede met financiële steun van de Stichting FOM, een magnetometer ontwikkeld waarmee het mogelijk is magnetisatie (de hoeveelheid magneetveld) in supergeleidend materiaal met grote precisie te meten. De magnetometer bestaat uit micrometer kleine schijfjes aluminium die in het hart van een kruisvormige halfgeleiderstructuur worden gemonteerd (zie figuur 1).
De schijfjes worden tot één graad boven het absolute nulpunt afgekoeld. Ze worden dan supergeleidend. Wanneer nu door twee tegenover elkaar liggende armen een stroom wordt gestuurd, dan wordt over de twee andere armen een spanning opgewekt. Die spanning is evenredig met de totale magnetische flux door het hart van het kruis. Veranderingen in de magnetische flux leiden tot gemakkelijk waar te nemen veranderingen in de spanning. Tot groot genoegen van de onderzoekers bleek zo een minieme fractie van een fluxquantum nog te kunnen worden onderscheiden. "Toen we dat konden, wilden we wel eens aan die voorspelling van Bardeen en Ginzburg meten. Het is natuurlijk uiterst ongebruikelijk dat op een gebied als supergeleiding dat zich zo sterk ontwikkelt, een theorie veertig jaar oud is en niemand hem kon toetsen. Door het voorspelde effect te meten konden we de kracht en de flexibiliteit van onze magnetometers laten zien," aldus dr. Andrey Geim in Nijmegen.
Geen hele fluxquanta
De onderzoekers gingen metingen doen aan schijfjes van 15 micrometer in doorsnede en 0,1 micrometer dikte. Die afmetingen zijn groot genoeg om vergelijkbare resultaten te krijgen als aan een echte supergeleidende dunne laag. Wanneer men de magnetische veldsterkte gaat verhogen, dringen wervels vanaf de rand de schijfjes binnen. De metingen leveren twee soorten karakteristieke resultaten op (zie figuur 2).
In het ene geval neemt de magnetisatie, gemeten in termen van de totale flux, na een supergeleidende begintoestand sprongsgewijs toe. Steeds springt er één wervel of een aantal wervels tegelijk een schijfje binnen. Bij nadere beschouwing blijken echter sommige stapjes minder dan een fluxquantum of een geheel veelvoud daarvan groot. In het andere geval neemt de flux eerst geleidelijk toe; binnendringende wervels bezitten maar een fractie van een fluxquantum. In het begin zitten zelfs twee dipjes: wervels met negatieve flux! Hier wordt even wat magneetveld uitgedreven als er wervels binnenkomen. Dit is tamelijk absurd, aldus Geim. Na verloop van tijd echter gaat ook in dit geval de toename van de flux stapsgewijs. Verdere analyse leerde dat de stapsgewijze toename van de flux - in het eerste geval - optrad bij schijfjes die niet mooi rond waren, maar een rafelige rand hadden. Wanneer de flux onregelmatig toenam - in het tweede geval -, dan bleek het schijfje mooi rond te zijn.
Aan de rand is het anders
Om hier meer zicht op te krijgen herhaalden de onderzoekers hun metingen aan schijfjes met een doorsnede van 2 micrometer. Hierin springt de eerste wervel meteen tot in het midden van het schijfje. Dit is een elegante manier om de oorzaak van de waargenomen effecten te onderzoeken. Door alleen naar die eerste wervel te kijken konden de onderzoekers onder wisselende omstandigheden nagaan hoeveel fluxquantum elke binnendringende wervel uiteindelijk had. Als het schijfje een gladde rand heeft, blijkt de eerste fluxsprong negatief. Treft de eerste wervel toevallig een scherp gat in de rand, dan neemt hij ongeveer één fluxquantum mee. Bij een rafelige rand komt er nauwelijks flux binnen. De toestand zoals in de tekstboeken beschreven - wervels dragen een heel veelvoud van één fluxquantum mee - treedt op circa 100 micrometer van de rand op. Dichter bij de rand speelt de vorm van de rand een grote rol.
De verklaring voor het sprongsgewijs binnendringen van wervels zit hem volgens de onderzoekers in het feit dat aan de rand de wervels een andere structuur en energieverdeling hebben dan verder het materiaal in. Dit zorgt ervoor dat wervels geen hele fluxquanta bezitten.
Een onverwachte ontdekking is het feit dat aan de rand van een supergeleidende dunne laag de uitdrijvende kracht van de supergeleidende toestand (het Meissner-effect) tijdelijk zo sterk kan zijn dat bij het binnendringen van wervels meer magnetische flux kan worden uitgedreven dan er binnenkomt (zie figuur 3). Dit moet een algemeen optredend verschijnsel zijn en kan veel tot nog toe onbegrepen waarnemingen verklaren.
Het is duidelijk dat zowel de gedeeltelijke als de negatieve fluxquanta niet verwaarloosd kunnen worden bij het goed begrijpen van het gedrag van heel kleine en heel dunne supergeleiders. Volgens de onderzoekers kan de negatieve flux ook in grote supergeleiders, die voor veel toepassingen van belang zijn, een voorname rol spelen. Helemaal niemand nog heeft dit echter bij grote supergeleiders experimenteel kunnen toetsen.
Voor meer informatie: dr. Andrey Geim.