Bommetje onder de supergeleidingstheorie

Door Bruno van Wayenburg, Universiteit Leiden

Bij de recente publicatie ‘Superconductivity theory under attack’ in Science is Zaanen mede-auteur. "Het wordt geacht als een bom in te slaan", schrijft Zaanen over de publicatie, "zelfs voor Science-maatstaven is dit niet run-of-the-mill."

Supergeleiders zorgen al ruim een eeuw voor verrassingen. In 1911 ontdekte Heike Kamerlingh Onnes tot zijn verbazing dat kwik bij 4,2 Kelvin (ofwel 4,2 graden boven het absolute nulpunt van -273 graden Celsius) stroom geleidt zonder meetbare weerstand.

Pas in 1957 werd het verschijnsel verklaard, waarna in 1986 een nieuw type supergeleiding werd ontdekt in complexe koperoxides. Dit wordt hogetemperatuursupergeleiding genoemd; het houdt zelfs stand bij ‘hoge’ temperaturen van 92 Kelvin.

Supergeleiding bij kamertemperatuur zou ongekende technologische toepassingen inhouden, maar het verschijnsel onttrekt zich voorlopig aan een sluitende verklaring. En dat ligt niet aan het gebrek aan inzet van natuurkundigen.

Sinds 1957 weten we dat supergeleiding ontstaat doordat de elektronen paren vormen die ongehinderd door het kristal kunnen zeilen. Dat gebeurt pas onder een kritische temperatuur Tc. Maar ook boven die temperatuur vertonen hogetemperatuursupergeleiders al vreemd gedrag. In deze ‘vreemd metaal’-fase gedragen de elektronen zich niet als grotendeels afzonderlijke deeltjes, zoals in normale metalen, maar als een soort collectief.

Sudi Chen en collega’s van Stanford University onderzochten de overgang tussen gewoon en vreemd metaal in het supergeleidende koperoxide Bi(2212) met hulp van Angle Resolved Photo-emission Spectroscopy (Arpes). Daarbij schijnt intens UV-licht op de supergeleider met een energie die elektronen uit het monster kan schieten. De energie en de impuls van zulke uitgewipte elektronen verraden vervolgens hoe de elektronen in het materiaal zich gedragen.

Uitleg van het Arpes-principe

Water koken

Naast de temperatuur is daarbij het doping-gehalte een cruciale parameter. Door chemische fijnafstelling kan het aandeel vrij bewegende ladingsdragers in het materiaal gevarieerd worden, waardoor de eigenschappen veranderen.

Bij relatief warme temperaturen (iets boven de maximaal haalbare Tc) blijkt de overgang tussen vreemd en normaal metaal te liggen tussen een dopinggehalte van 19 en 20%. Bij die overgang, maten Chen en collega’s, verspringt de energieverdeling van de elektronen abrupt. Zulke discontinue overgangen komen veel meer voor in de natuurkunde. Een voorbeeld is het koken van water: bij de overgang van water naar stoom maakt de dichtheid van water een forse sprong.

Maar het vreemde is dat de discontinuïteit verdwijnt als de temperatuur daalt tot in het supergeleidende gebied: geleidelijk verdwijnt de abrupte overgang, en verlopen de eigenschappen ineens vloeiend.

De Arpes-scan bij de overgang tussen vreemd en gewoon metaal. Beeld: Science, Chen et al

Grofvuil

"Hoe zit het nou? Volgens algemeen principe zou dat discontinue gedrag bij hoge temperatuur zich moeten vertalen in een discontinue overgang bij lage temperatuur", zegt Zaanen. "Dat dit niet gebeurt is strijdig met elke berekening die tot nu toe gedaan is. De hele beschikbare theoretische machinerie van de natuurkunde faalt."

Dit betekent dat de zogeheten ‘kwantumkritische overgang’, tot nog toe een favoriet verklaringsmodel, bij het grofvuil kan. Die voorspelt een continue verloop van het Arpes-signaal als functie van doping.
Volgens Zaanen is dit alles duidelijke aanwijzing dat de vreemd-metaal-fase een gevolg is van kwantumverstrengeling, de verknooptheid van de eigenschappen van kwantummechanische deeltjes die ook van essentieel belang is voor kwantumcomputers.

Kwantumcomputer

Daarom is het gedrag vermoedelijk eigenlijk alleen goed te berekenen met een kwantumcomputer, denkt Zaanen. Meer nog dan het het kraken van computerbeveiligingen of het doorrekenen van moleculen, is het vreemde metaal dé rekenopgave bij uitstek waarbij de kwantumcomputer zijn voordeel ten opzichte van de klassieke computer kan laten zien.

De moraal, zegt Zaanen, is dat de oorsprong van supergeleiding in toenemende mate bijzaak is geworden. "Na 30 jaar is het bewijs zich aan het opstapelen dat het bij hoge Tc -supergeleiding gaat om een radicaal nieuwe vorm van materie, die bepaald wordt door de consequenties van kwantumverstrengeling in de macroscopische wereld."