Met laserlicht en koude atomen zijn onderzoekers er bijna in geslaagd een antiferromagnetische patroon van elektronen in een supergeleider te simuleren (afb: Nature)

Supergeleiding, het fenomeen waarbij de elektrische weerstand in de geleider nul is, is mooi maar vreselijk kwellend. Ooit begonnen in de koude krochten van Leiden bij zo’n paar graden boven het absolute nulpunt, kreeg supergeleiding een geweldige tik mee toen in de jaren 80 door IBM-onderzoekers Georg Bednorz en Alex Müller de hogetemperatuursupergeleiders werden ontdekt met 35 K tien graden hoger dan de eerder ontdekte supergeleider. Die hoge temperaturen zijn nu altijd nog maar een graad of 140 onder nul ( zo’n 135 K), maar het idee vatte post dat er op een dag materialen zouden zijn die supergeleiding bij kamertemperatuur vertonen. Groot obstakel is dat het hoe en waardoor van supergeleiding onbekend is. Het lijkt er nu op dat onderzoekers van, onder meer, de Rice-universiteit in Houston (VS) een tipje van die sluier hebben opgelicht door met koude atomen en laserlicht, een optische roostersimulatie, een magneetpatroon te creëren zoals dat in supergeleiders wordt waargenomen.
Een optische roostersimulatie is in feite een kristal dat is gemaakt van licht. Echte kristallen bestaan uit repeterende patronen ionen, waarbij de elektronen van ion naar ion bewegen. In de simulatie vervangen laserlichtvlekken de ionen en ultrakoude atomen bewegen tussen de vlekken bij wijze van elektronen. Onderzoekers kunnen dat patroon aanpassen om de aantrekking of afstoting van de atomen te veranderen. Dat maakt dat soort experimentele opzetten ideaal voor het bestuderen van supergeleiding, waarbij materialen zoals barium-/calcium-/koperoxide, de modernste en ‘warmste’ supergeleiders, weerstandsloos elektriciteit doorlaten bij temperaturen tot 135 K. Zoals gezegd, hoe dat allemaal werk gaat is onduidelijk.

Elektronen stoten elkaar af en dat leidt tot opstoppingen in de elektronenstroom (=geleiding). Elektronen hebben ook een spin, waarbij nabije elektronen een tegengestelde spin hebben (voorgesteld door een pijltje omhoog of omlaag). Dat levert een magnetisch patroon op dat antiferromagnetisme wordt genoemd. Supergeleiding doet zich voor als verontreinigingen zorgen voor een betere doorstroming van de elektronen. De andere elektronen glijden dan paarsgewijs ongehinderd door het materiaal (beneden een bepaalde temperatuur, tenminste). De geleerden zijn het er nog niet over eens hoe die paring plaatsvindt. Sommige denken dat golfachtige rimpelingen in het antiferromagnetische patroon als een soort lijm fungeert tussen twee elektronen. Andere denken, heel contra-intuïtief, dat de afstoting tussen de elektronen daarvoor zorgt.
Er is een wiskundig model van elektronen op een soort dambord, het zogeheten Fermi-Hubbard-model, maar het is zo lastig op te lossen dat nog niemand heeft kunnen tonen of dat supergeleiding produceert. De hoop bestaat dat dat model is te simuleren met een optisch lichtrooster en koude atomen.  Er zijn op dat gebied al wat vorderingen geweest en nu hebben Randall Hulet c.s. van de Rice-universiteit het bijna voor elkaar om een antiferromagnetisch systeem na te bootsen.
Daartoe vingen de onderzoekers zo’n 100 tot 200 000 lithium-6-atomen in laserlicht. Met behulp van een speciale golflengte kregen de onderzoekers het voor elkaar het bijbehorende spinpatroon (omhoog/omlaag) te creëren. Met het licht wordt de spin van de atomen (de gesimuleerde elektronen) omgeklapt. De onderzoekers hebben daartoe een belangrijk experimenteel moeten oplosssen. Door het aanleggen van het optische rooster worden de atomen opgewarmd. Dat corrigeerden de onderzoekers door met een andere laser de atomen wat af te remmen (kouder maken), zodat de enegrierijkste net waren vast te houden. Bij verdere opwarming ‘verdampten’ de energierijkste atomen als stoom uit een heet bad, waardoor de rest afkoelde. Op die manier kregen ze niet een volledig stabiel antiferromagnetisch patroon: de temperatuur was 40% te hoog, maar het lijkt de goede richting te zijn, zegt Hulet. “We weten niet precies waar de grens van de ze methode ligt. Het zou een factor twee lager kunnen zijn, maar ook een factor tien.” Het zijn spannende tijden, maar we zullen, zo vrees ik, nog even moeten wachten op uitgekiende supergeleiders die werken bij kamertemperatuur.

Bron: Science