6 mei. 2011
3 minuten
Onderzoekers van SRON Netherlands Institute for Space Research en de TU Delft zijn gestuit op een fundamentele limiet van supergeleiders in ruimtedetectoren en kwantumcomputers. In hun onderzoek aan een supergeleidende aluminium film namen de onderzoekers een verschijnsel waar dat in tegenspraak is met de heersende theorie: bij temperaturen vlak boven het absolute nulpunt blijken vrij veel elektronen in de supergeleider zich toch als individuele deeltjes te gedragen.
Voor supergeleiding zijn deze rebelse elektronen funest. Kwantumcomputers verliezen hierdoor hun coherentie en stralingsdetectoren zijn dan minder gevoelig.
Supergeleiding
Het verschijnsel supergeleiding is exact 100 jaar geleden ontdekt door de Nederlandse fysicus Heike Kamerlingh-Onnes. Supergeleidende materialen onderscheiden zich doordat bij heel lage temperaturen de elektrische weerstand in theorie wegvalt omdat elektronen zich niet meer als individuele deeltjes kunnen gedragen. Daardoor kunnen we met supergeleiders in principe kwantumberekeningen doen, of ze gebruiken als extreem gevoelige detectoren voor het meten van straling uit de ruimte.
Individuele deeltjes
Onderzoekers van SRON en de TU Delft, die samen werken aan de ontwikkeling van extreem gevoelige stralingsdetectoren bestaande uit een supergeleider en een resonantiecircuit, zijn nu op een fundamentele limiet gesteld voor de toepassing van supergeleiders. Ze zijn er in geslaagd om in een supergeleidende aluminium film de fluctuaties in het aantal elektronen te meten, en zo het aantal elektronen te ‘tellen’. Zo ontdekten ze dat bij temperaturen vlak boven het absolute nulpunt een heel aantal elektronen zich toch als individuele deeltjes blijft gedragen. Dit verschijnsel is volstrekt in tegenspraak met de theorie.
Onderzoeker Pieter de Visser (SRON en TU Delft): ‘Je zou verwachten dat de elektronen een Bose-Einsteincondensaat vormen, dat het elektronen onmogelijk maakt zich als individuele deeltjes te gedragen. Maar er blijft in ons onderzoek een relatief groot aantal ongepaarde elektronen over bij de laagste temperaturen. Dat heeft vervelende gevolgen voor detectoren: ze zijn dan minder gevoelig. Kwantumcomputers verliezen als gevolg van dit verschijnsel hun coherentie, waardoor ze niet meer werken.’
De vraag is nu: wat maakt dat deze elektronen rebelleren en de supergeleiding verstoren? Groepsleider Jochem Baselmans (SRON): ‘De meest voor de hand liggende oorzaken, zoals strooilicht en kosmische achtergrondstraling, hebben we in ons experiment al uitgesloten. Dat betekent dat er waarschijnlijk een meer fundamentele reden is dat de elektronen zich niet aan elkaar willen binden. Een antwoord op dit raadsel is cruciaal voor het verbeteren van kwantumbits, de bouwstenen van een kwantumcomputer, en voor het ontwikkelen van de extreem gevoelige detectoren die we voor de volgende generatie ruimtetelescopen nodig hebben.’
KIDs
De stralingsdetectoren waar de groep van Baselmans en De Visser aan werkt, zijn Kinetic Inductance Detectors (KIDs). De KIDs worden door de onderzoeksgroep ontwikkeld voor een submillimeter-camera van een testtelescoop van het ALMA-telescopennetwerk dat nu in Chili wordt gebouwd. Hiervoor is in januari een Memorandum of Understanding getekend door SRON, NOVA, de TU Delft en het Max Planck Instituut voor Radioastronomie in Bonn. De nieuwe submillimeter-camera werkt op twee golflengten, 350 en 850 micrometer. De KIDs zijn in principe ook geschikt voor detectoren van ruimtetelescopen: ze waren lang in de race voor SAFARI, het Europese instrument op de Japanse ruimtetelescoop SPICA (lancering in 2018).
Meer informatie
Het artikel Number fluctuations of sparse quasiparticles in a superconductor’, is verschenen in de Physial Review Letters: Phys. Rev. Lett. 106, 167004 (2011) en is ook te vinden op arXiv:1103.0758v2. De auteurs zijn Pieter de Visser (SRON, TU Delft), Jochem Baselmans (SRON), Pascale Diener (SRON), Stephen Yates (SRON), Akira Endo (TU Delft) en Teun Klapwijk (TU Delft).