De vreemde metaaltoestand in supergeleiders met hoge temperatuur nog vreemder maken

De bevindingen zijn gepubliceerd in Science.

​Supergeleiding, waarbij een elektrische stroom zonder verlies wordt getransporteerd, biedt een enorm potentieel voor groene technologieën. Als het bijvoorbeeld kan worden gemaakt om bij voldoende hoge temperaturen te werken, kan het verliesvrij transport van hernieuwbare energie over grote afstanden mogelijk maken. Het onderzoeken van dit fenomeen is het doel van het onderzoeksveld van hoge temperatuur supergeleiding. Het huidige record staat op -130 graden Celsius, wat misschien geen hoge temperatuur lijkt, maar het is in vergelijking met standaard supergeleiders die alleen werken onder -230 graden Celsius.

Hoewel standaard supergeleiding goed wordt begrepen, zijn verschillende aspecten van supergeleiding bij hoge temperaturen nog steeds een puzzel die moet worden opgelost. Het nieuwe onderzoek richt zich op de minst begrepen eigenschap – de zogenaamde ‘vreemde metaal’-toestand, die optreedt bij temperaturen die hoger zijn dan die waarbij supergeleiding mogelijk is.

"Deze ‘vreemde metalen’ staat heeft de toepasselijke naam. De materialen gedragen zich echt op een zeer ongebruikelijke manier, en het is een mysterie onder onderzoekers. Ons werk biedt nu een nieuw begrip van het fenomeen. Door nieuwe experimenten hebben we cruciale nieuwe informatie geleerd over hoe de vreemde metaaltoestand werkt’, zegt Floriana Lombardi, professor aan het Quantum Device Physics Laboratory van de afdeling Microtechnologie en Nanowetenschappen.

Gebaseerd op kwantumverstrengeling?

De vreemde metaaltoestand kreeg zijn naam omdat zijn gedrag bij het geleiden van elektriciteit op het eerste gezicht veel te eenvoudig is. In een gewoon metaal beïnvloeden veel verschillende processen de elektrische weerstand – elektronen kunnen botsen met het atoomrooster, met onzuiverheden of met zichzelf, en elk proces heeft een andere temperatuurafhankelijkheid. Dit betekent dat de resulterende totale weerstand een gecompliceerde functie van de temperatuur wordt. In schril contrast hiermee is de weerstand tegen vreemde metalen een lineaire functie van temperatuur – dat wil zeggen een rechte lijn van de laagst haalbare temperaturen tot waar het materiaal smelt.

"Zo’n eenvoudig gedrag smeekt om een ​​eenvoudige verklaring op basis van een krachtig principe, en voor dit soort kwantummaterialen wordt aangenomen dat het principe kwantumverstrengeling is." zegt Ulf Gran, hoogleraar aan de afdeling subatomaire, hoge-energie- en plasmafysica.

"Kwantumverstrengeling is wat Einstein ‘spookachtige actie op afstand’ noemde en vertegenwoordigt een manier voor elektronen om te interageren die geen tegenhanger heeft in de klassieke fysica. Om de contra-intuïtieve eigenschappen van de vreemde metaaltoestand te verklaren, moeten alle deeltjes met elkaar verstrengeld zijn, wat leidt tot een soep van elektronen waarin individuele deeltjes niet kunnen worden onderscheiden, en die een radicaal nieuwe vorm van materie vormt.

Onderzoek naar het verband met ladingsdichtheidsgolven

De belangrijkste bevinding van het artikel is dat de auteurs hebben ontdekt wat de vreemde metaaltoestand doodt. In supergeleiders met hoge temperatuur treden ladingsdichtheidsgolven (CDW), die rimpelingen zijn van elektrische lading die worden gegenereerd door patronen van elektronen in het materiaalrooster, op wanneer de vreemde metaalfase afbreekt. Om dit verband te onderzoeken, werden monsters op nanoschaal van het supergeleidende metaal yttrium barium koperoxide onder spanning gezet om de ladingsdichtheidsgolven te onderdrukken. Dit leidde vervolgens tot de hernieuwde opkomst van de vreemde metaaltoestand. Door het metaal te persen, waren de onderzoekers in staat om de vreemde metaaltoestand uit te breiden naar de regio die voorheen werd gedomineerd door CDW – waardoor het ‘vreemde metaal’ nog vreemder werd

"De hoogste temperaturen voor de supergeleidende overgang zijn waargenomen wanneer de vreemde metaalfase meer uitgesproken is. Het begrijpen van deze nieuwe fase van materie is daarom van het grootste belang om nieuwe materialen te kunnen construeren die supergeleiding vertonen bij nog hogere temperaturen", aldus Lombardi .

Het werk van de onderzoekers wijst op een nauw verband tussen het ontstaan ​​van ladingsdichtheidsgolven en het breken van de vreemde metaaltoestand – een potentieel essentiële aanwijzing om het laatste fenomeen te begrijpen, en dat een van de meest opvallende bewijzen van kwantummechanische principes op de macro schaal. De resultaten suggereren ook een veelbelovende nieuwe onderzoeksrichting, waarbij spanningscontrole wordt gebruikt om kwantummaterialen te manipuleren.