Leidse natuurkundigen fotograferen klonterige supergeleider

Een Leidse onderzoeksgroep heeft de eerste beelden ooit kunnen maken van de ruimtelijke variatie van supergeleidende deeltjes. Het team gebruikte een Josephson Scanning Tunneling Microscope. De beloning: een publicatie in Nature.

"Een van de raadsels van hoge-temperatuur-supergeleiding is de mogelijkheid dat de geleiders inhomogeen zijn", zegt onderzoeksleider Milan Allan. "Dat betekent dat de dichtheid van de Cooper-paren die de supergeleiding veroorzaken, varieert in de ruimte. Wij hebben nu laten zien dat supergeleiders erg inhomogeen kunnen zijn, door beelden te maken van de dichtheid."

Sinds de ontdekking van hoge-temperatuur-supergeleiders in 1986, hopen natuurkundigen de overgangstemperatuur te kunnen opvoeren tot kamertemperatuur. Dit is helaas nog niet gelukt, onder andere doordat men nog altijd niet begrijpt hoe hoge-temperatuur-supergeleiding werkt. Bekend is wel dat de Cooperparen kleiner zijn en dunner gezaaid dan in gewone supergeleiders.

"Mensen hebben het al tien, vijftien jaar over inhomogenitet", zegt Allen, "maar het is nooit zichtbaar gemaakt." Om dat te doen gebruikte Allans groep een speciaal soort Scanning Tunneling-microscoop (STM) die een monster in beeld brengt door een dunne naald langzaam boven het oppervlak te laten bewegen. Terwijl de naald het oppervlak scant, worden de plaatselijke eigenschappen in kaart gebracht, met als resultaat een beeld met atoomresolutie.

Het gebruikte type STM is een Josephson-STM, die het Josephson-effect gebruikt: twee supergeleidende stromen kunnen een kleine niet-geleidende tussenruimte overbruggen, in dit geval de ruimte tussen de naald en het monster. Door die Josephson-stroom te meten kun je de dichtheid van de Cooperparen en ook (bij iets andere instellingen) de coherentie van de Cooperparen, een maat voor hun stabiliteit.

Klonterende Cooperparen

Uit dp de opnamen, die elk zo'n drie dagen kostten, bleek dat zowel de coherentie als de dichtheid erg inhomogeen zijn. Om uit te sluiten dat die inhomogeniteit veroorzaakt werden door het kristalrooster zelf, maakten de natuurkundigen daar ook STM-opnamen van. Maar dat leverde een heel ander patroon op. Allan: "Dat toont aan dat de inhomogeniteit niet gewoon een gevolg is van de kristalstructuur, maar van de Cooperparen zelf."

Josephson STM's waren al eerder gebouwd, maar niet met de resolutie en betrouwbaarheid waarmee de beelden gemaakt zijn. "We konden dit doen door de som van veel afzonderlijke technische verbeteringen. En door precies het juiste materiaal te kiezen." Het zorgvuldig geselecteerde ijzertelluurselenide (FeTeSe) is een relatief eenvoudige hoge-temperatuur-supergeleider.

Allan hoopt snel andere materialen te onderzoeken. Allan: "Eindelijk kunnen we een sleuteleigenschap van supergeleiders zien die voorheen onzichtbaar was."

Brron: Universiteit Leiden