Natuurkundigen beschrijven nieuw soort supergeleiding

In drie recente papers beschrijven de auteurs gedetailleerd onderzoek om aan te tonen dat type 1.5 supergeleiding mogelijk is in zogenoemde multiband supergeleiders. Jarenlang geloofden de meeste natuurkundigen dat supergeleiders ofwel type I ofwel type II moesten zijn. "Type 1,5 supergeleiding is onderwerp van intensief debat, omdat er tot nu toe geen theorie was om de fysica te koppelen aan microschaal-eigenschappen van echte materialen", zegt Egor Babaev van de universiteit van Massachusetts. Momenteel werkt Babaev op het technologie-instituut in Stockholm samen met postdoctoraal onderzoeker Mikhail Silaev. Hun recente artikelen leveren een theoretisch raamwerk, dat het mogelijk maakt om de benodigde condities te berekenen voor het optreden van type 1,5 supergeleiding. Dit soort supergeleiding vertoont karakteristieken van zowel type I als type II, die voorheen als elkaars antagonisten werden beschouwd.

Complexe stroom

Supergeleiding is een toestand waarbij elektrische lading stroomt zonder weerstand. In type I en type II zijn de ladingsstroompatronen totaal verschillend. Type I, ontdekt in 1911, kent twee typerende kenmerken: het ontbreken van elektrische weerstand en het feit dat een extern magnetisch veld niet wordt doorgelaten. Als op deze materialen een magnetisch veld wordt aangelegd, produceren supergeleidende elektronen een sterke stroom aan het oppervlak die op zijn beurt een magnetische veld opwekt in tegengestelde richting. Binnen in dit type supergeleider tellen het externe magnetische veld en het opgewekte veld bij elkaar op tot nul – ze doven elkaar uit.

Het bestaan van type II werd voorspeld door een Russische theoretisch natuurkundige, die zei dat er supergeleidende materialen zouden moeten zijn waarbij diep in het binnenste een complexe stroom van supergeleidende elektronen zou plaatsvinden. In type II materiaal kan een magnetisch veld geleidelijk binnendringen, meegevoerd door vortices als kleine elektronische tornado’s, zo legt Babev uit. Voor de theoretische beschrijving van type I en type II halfgeleiders is in 2003 de Nobelprijs toegekend.

Nieuwe toestand

Het op deze manier klassificeren van supergeleiders bleek goed mogelijk. Alle halfgeleidende materialen die in de tweede helft van de vorige eeuw zijn ontdekt, kunnen worden geklassificeerd als een van de twee typen, zegt Babaev. Maar hij was ervan overtuigd dat er een toestand moest bestaan die in geen van beide mogelijkheden zou vallen; type 1,5. Door het uitwerken van de theoretische principes voor supergeleidende materialen voorspelde hij dat supergeleiden elektronen kunnen worden ingedeeld in twee ‘strijdige’ subpopulaties. De ene gedraagt zich als elektronen in het type I materiaal en de andere juist als type II. elektronen in een type II materiaal.

Zwitserse kaas

Babaev zei ook dat type 1.5 supergeleiders een soort superregelmatige Zwitserse kaas zouden vormen, met clusters van dicht op elkaar gepakte vortex-druppels van twee typen elektronen: een type samengehecht en een tweede type dat stroomt aan het oppervlak van de vortexclusters, vergelijkbaar met de manier waarop elektronen stromen langs het oppervlak van type I supergeleiders. Deze vortexclusters zijn van elkaar gescheiden door ‘voids’ (leegten) met geen vortices, geen stromen en geen magnetisch veld.

Eén soort elektron

"Het belangrijkste bezwaar van sceptici", herinnert Babaev, "is dat er fundamenteel maar één soort elektron bestaat, dus het is moeilijk te accepteren  dat er twee soorten supergeleidende elektronenpopulaties zouden kunnen bestaan met zulk drastisch verschillend gedrag". Als antwoord hierop ontwikkelden Silaev en Babev hun theorie om te verklaren hoe echte materialen aanleiding kunnen vormen voor 1.5 supergeleiding, waarbij rekening werd gehouden met interacties op microschaal. In een gelijktijdige inspanning gebruikten hun collega’s op de universiteit in Amherst en in Zweden supercomputers om grootschalige numerieke berekeningen uit te voeren, waarbij ze modellen maakten voor het gedrag van supergeleidende elektronen. Zo konden ze de structuur van vortexclusters in een type 1.5 supergeleider beter begrijpen en aanschouwelijk maken.

De teams natuurkundigen in Stockholm en Amherst denken dat de familie multiband-supergeleidende materialen zal groeien. Ze verwachten dat een aantal van de nieuw ontdekte materialen tot type 1.5 zal behoren.

"Met de ontwikkeling van theorie die werkt op microscopisch niveau , en met een beter begrip van de inter/vortex interactie kunnen we nu de eigenschappen van de vortexclusters koppelen aan de eigenschappen van elektronische structuren van concrete materialen. Dat kan nuttig zijn bij het bepalen of een materiaal in het type 1,5 supergeleiderdomein thuishoort", aldus Babaev.