Elektronparen blijven stabiel boven kritische temperatuur supergeleiding

Het precieze mechanisme achter supergeleiding is een van de grootste mysteries in de natuurkunde. Er is een theorie die verklaart waarom sommige materialen supergeleidend worden: als ze afgekoeld worden tot onder de kritische temperatuur, vormen de elektronen in het materiaal paren, zogeheten Cooperparen. Vervolgens condenseren deze Cooperparen tot een quantumvloeistof die zonder weerstand door het materiaal vloeit. Dit veroorzaakt de supergeleiding.

Tot nog toe dachten natuurkundigen dat de vorming van Cooperparen en de condensatie naar een weerstandsloze toestand een gezamenlijk proces was, dat dus tegelijkertijd gebeurt. ‘Dat is wat in alle leerboeken staat,’ zegt Leids natuurkundige Koen Bastiaans, eerste auteur van het artikel.

Het kwam daarom als een verrassing dat Bastiaans en collega’s ontdekten dat Cooperparen ook kunnen bestaan boven de kritische temperatuur, waar ze een nieuwe, mysterieuze quantumvloeistof vormen. ‘Dat betekent dus dat de vorming van Cooperparen los staat van het condenseren zelf’, zegt Bastiaans. ‘Voor mij heeft dat mijn ideeën over supergeleiding helemaal omgegooid.’

Het onderzoek is begonnen in nauwe samenwerking met de TU Delft en SRON Netherlands Institute for Space Research, met een focus op de supergeleider titaniumnitride, een materiaal dat ook gebruikt wordt in gevoelige optische detectoren in het ruimteonderzoek. De wetenschappers gebruikten een nieuwe techniek—Scanning Tunnelling Noise Spectroscopy—die de elektrische ruis meet binnen een materiaal. Die ruis is anders voor paren dan voor losse elektronen. ‘Het is een beetje alsof je luistert naar regendruppels die op het dak vallen,’ legt Bastiaans uit. ‘Als de druppels dikker worden, klinkt de regen anders.’

Toen de temperatuur boven 2,95 Kelvin (graden boven het absolute nulpunt) kwam, verdween de supergeleiding, zoals verwacht. Maar de Cooperparen bleven bestaan totdat de temperatuur zo’n 7,2 Kelvin was. ‘Dus je kunt Cooperparen hebben die niet gecondenseerd zijn en zonder supergeleiding’, zegt Bastiaans, ‘Eerder waren er wel aanwijzingen geweest dat dit mogelijk was, maar het is nooit onweerlegbaar bewezen. Het betekent dat we een nieuw soort quantumvloeistof hebben gevonden: een materietoestand die elektrische weerstand heeft, maar toch gemaakt is van Cooperparen.’

SRON-wetenschappers, onder wie Pieter de Visser, gebruiken titaniumnitride om een detectietechniek te ontwikkelen voor ruimte-instrumentatie— Microwave Kinetic Inductance Detectors (MKID). Deze supergeleidende detectoren kunnen de energie meten van individuele fotonen, bijvoorbeeld vanaf exoplaneten. Om hun detectiemechanisme te verbeteren moeten ze de natuurkunde erachter snappen. Daarom werken ze samen met de groep van Bastiaans en leverden ze de titaniumnitride samples. De Visser: ‘We laten zien dat technologieontwikkeling en fundamentele wetenschap hand in hand gaan. Terwijl we de wetenschap proberen te begrijpen achter een observationele techniek voor sterrenkunde, kan dat leiden tot fundamenteel nieuwe fysica.’

Bastiaans K., Chatzopoulos D., Ge J., Cho D., Tromp W., Van Ruitenbeek J., Fisher M., De Visser P., Thoen D., Driessen E., Klapwijk T., Allan M., ‘Direct evidence for Cooper pairing without a spectral gap in a disordered superconductor above Tc’, Science