Tegendraadse supergeleider UCoGe sluit 'onmogelijke' vriendschap met ferromagnetisme
Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam en de Stichting FOM hebben, in samenwerking met collega's van de Universität Karlsruhe, een metaal ontdekt dat supergeleider en ferromagneet tegelijk is. In een supergeleider komen de elektronen voor in paren van tegengesteld gerichte spin (het quantummechanische verschijnsel dat elektronen in de ene of in de andere richting om hun as tollen), terwijl in een ferromagneet alle spins vast in één richting wijzen (wat het materiaal een permanente magneet maakt). Dat zijn tegengestelde vereisten. De combinatie supergeleiding en ferromagnetisme komt in de regel dan ook niet tegelijkertijd voor. Daar hebben de onderzoekers nu dus een uitzondering op ontdekt: een verbinding van uranium, kobalt en germanium (UCoGe). In een publicatie, die op 10 augustus 2007 verschijnt in het tijdschrift Physical Review Letters, beschrijven UvA-aio Nguyen Thanh Huy en FOM-oio Alessia Gasparini, samen met collega's in Amsterdam en Karlsruhe, de resultaten van metingen aan elektrisch transport, magnetische en thermische eigenschappen van UCoGe. Die wijzen er alle op dat in UCoGe supergeleiding en ferromagnetisme werkelijk gelijktijdig bestaan. De verklaring is dat de supergeleiding in UCoGe onder invloed van het ferromagnetisme een ongebruikelijke spintoestand vormt die beide fenomenen gelijktijdig mogelijk maakt. Deze bevinding maakt de bekende verklaring voor supergeleiding bij lage temperaturen misschien wat ingewikkelder dan tot nog toe gedacht.
Het idee van een eeuwige elektrische stroom die zonder energieverlies door een supergeleider loopt, houdt onderzoekers al bezig sinds het begin van de 20ste eeuw. In hun publicatie geven de onderzoekers dit onderzoeksgebied een nieuwe draai met de ontdekking van een tegendraadse stof die alle regels breekt door onbezorgd te supergeleiden, maar die tegelijkertijd een ferromagneet is.
Veel metalen kiezen er voor om supergeleidend te worden bij lage temperatuur. Er is echter een groep van notoire dwarsliggers – de ferromagneten – die koppig weigert te luisteren naar de lonkende roep van supergeleiding. In een ferromagneet organiseren de elektronen van de atomen in het rooster zich zodanig dat hun spins – net kleine kompasnaaldjes – alle in dezelfde richting wijzen. Zo creëren zij samen een magneetveld. Deze spinordening is als vergif voor supergeleiding, die juist vereist dat de elektronen samengaan in paren met hun spins in tegengestelde richting: precies datgene wat een ferromagneet niet wil.
De onderzoekers hebben nu een tegendraadse supergeleider ontdekt – in de vorm van een legering van uranium, kobalt en germanium – waarin supergeleiding en ferromagnetisme zich als goede vrienden gedragen in plaats van als aartsvijanden. Wanneer dit materiaal gekoeld wordt tot een paar graden boven het absolute nulpunt wordt het een ferromagneet. Bij nog verder koelen wordt het een supergeleider, maar bijzonder is dat de ferromagnetische ordening blijft bestaan.
Deze schijnbare paradox kan alleen verklaard worden door aan te nemen dat de elektronen paren vormen met parallelle spin (ook wel tripletpaar genoemd). Deze manier van paring levert immuniteit op voor het magneetveld in de ferromagneet. De rebelse supergeleiders die zo'n truc gebruiken, vormen een kleine en lastige familie, en zijn tot op heden alleen te vinden onder extreme omstandigheden zoals zeer lage temperatuur en hoge druk. UCoGe, het jongste lid van de familie, is gemakkelijker handelbaar, omdat de supergeleiding voorkomt bij de relatief hoge temperatuur van 1 kelvin en bij atmosferische druk. Dit maakt het mogelijk om deze fascinerende en mysterieuze vorm van triplet-supergeleiding in detail te bestuderen.
Supergeleiding in UCoGe is een fraai voorbeeld van ongewone quantumordening, opgewekt door een zogeheten quantumfaseovergang wanneer de temperatuur naar het absolute nulpunt gaat. Kritische spinfluctuaties, die gepaard gaan met een faseovergang van een ferromagneet naar een paramagneet (een materiaal dat alleen in aanwezigheid van een magnetisch veld magnetisch wordt), zijn dan de excitaties die deze zeer zeldzame vorm van supergeleiding mogelijk maken.
Voor meer informatie kunt u terecht bij dr. A. de Visser, Universiteit van Amsterdam, telefoon (020) 525 57 32.
Zie ook www.science.uva.nl/research/cmp/devisser
Referentie:
Het artikel 'Superconductivity on the border of weak itinerant ferromagnetism in UCoGe”'gaat op 10 augustus 2007 online in Physical Review Letters; de auteurs zijn Nguyen Thanh Huy1, Alessia Gasparini1, Fendy de Nijs1, Yingkai Huang1, Jacques Klaasse1, Ton Gortenmulder1, Anne de Visser1, Andreas Hamann2, Tobias Görlach2 en Hilbert von Löhneysen2.
1Universiteit van Amsterdam, Van der Waals-Zeeman Instituut
2Universität Karlsruhe, Physikalisches Institut