Annica Black-Schaffer wil onconventionele supergeleiders begrijpen. Het feit dat ze onlangs de prestigieuze ERC Starting Grant ontving en een voormalig ontvanger van beurzen van de Knut and Alice Wallenberg Foundation, getuigt van de interesse in haar onderzoek. Een wenkende toepassing zijn de supercomputers van morgen.

Supergeleiders zijn materialen die, bij lage temperaturen, stroom geleiden zonder weerstand en zonder warmte af te geven. Het fenomeen werd ontdekt in 1911 en heeft nu toepassingen zoals MRI's, waar de nodige koeling gebeurt met helium.

"Wat ik wil is het begrijpen van onconventionele, nogal ongebruikelijke supergeleiders en hun eigenschappen en gevolgen, " zegt Annica Black-Schaffer, hoofddocent en universitair hoofddocent materiaaltheorie bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde.

Een voorbeeld zijn topologische supergeleiders. Topologie in de natuurkunde wordt gebruikt om te beschrijven hoe de eigenschappen van een materiaal veranderen en verschillende toestanden binnengaan onder verschillende omstandigheden en temperaturen, ontdekkingen die David Thouless, Duncan Haldane en Michael Kosterlitz de 2016 Nobelprijs voor de natuurkunde.

Verschillende kwantummechanische golffunctie

Annica Black-Schaffer legt uit dat in topologische supergeleiders, de kwantummechanische golffunctie van elektronen is anders.

"Het zijn supergeleiders, maar ze hebben een metaalachtige toestand aan de rand of het oppervlak. Dit fenomeen geeft aanleiding tot majorana-fermionen die, simpel gezegd, zijn halve elektronen. Een elektron is eigenlijk een fundamenteel deeltje dat niet kan worden opgesplitst. Maar in deze materialen de elektronen hebben twee volledig gescheiden delen. Het is precies alsof het elektron zich tegelijkertijd op twee verschillende plaatsen bevindt!"

Als majorana-fermionen ook kunnen worden verdraaid en van plaats kunnen veranderen, dan hebben Annica Black-Schaffer en haar collega's in theorie misschien de oplossing voor een duurzame kwantumcomputer. In een kwantumcomputer informatie wordt verwerkt in qubits, of kwantumbits. Een qubit kan tegelijkertijd een één en een nul zijn, die berekeningen veel sneller maakt dan de computers van vandaag, maar ze zijn tegelijkertijd veel gevoeliger voor verstoringen zoals trillingen of temperatuurveranderingen. Door de eigenschappen van majorana-fermionen kan een kwantumcomputer deze gevoeligheid omzeilen.

Eigenschappen van materialen in kaart brengen

Ze benadrukt dat haar onderzoek puur theoretisch basisonderzoek is. Echter, experimenten zijn al aan de gang in verschillende delen van de wereld, waarvan sommige worden gesponsord door een groot softwarebedrijf.

"Wat we doen is de eigenschappen van de materialen in kaart brengen en berekenen wanneer de majorana-fermionen verschijnen en onder welke omstandigheden."

Met een initiële financiering van ERC van SEK 15 miljoen achter haar, Annica Black-Schaffer kan nu doorgaan en ook nog meer onconventionele supergeleiders met vreemde frequentieafhankelijkheden bestuderen. elektronen, die elkaar anders ontwijken vanwege een negatieve lading, vormen paren onder supergeleiding.

"Maar sommige materialen hebben een tijdsafhankelijkheid tussen beide elektronen, en dan kan supergeleiding met oneven frequentie ontstaan, " legt Annica Black-Schaffer uit.

Theoretici en experimentatoren

Er zijn nog veel meer van dit soort materialen die zij en haar onderzoeksgroep nu willen ontdekken en bestuderen. Een nieuw materiaal dat ze al hebben gevonden is strontiumruthenaat, dat is een bekende supergeleider met heel bijzondere eigenschappen. Een ander tussentijds doel is om dieper te begrijpen wat supergeleiders met oneven frequentie zijn, en hun experimentele gevolgen.

"Als theoretici, het is spannend om te zien wat experimentatoren in de praktijk van onze modellen maken. Of omgekeerd:ze kunnen een fenomeen ontdekken waar we onze tanden in zetten, in een poging om het uit te leggen!"