Supergeleiding bij hoge temperaturen is een van de grote mysteries in de natuurkunde. De onderzoeksgroep van Milan Allan gebruikte voor het eerst een Josephson Scanning Tunneling Microscope om ruimtelijke variaties van supergeleidende deeltjes in beeld te brengen. en daarover gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .

"Een van de mysteries van supergeleiders bij hoge temperaturen is de mogelijkheid dat ze inhomogeen zijn. Dit betekent dat de dichtheid van de Cooper-paren die de supergeleiding veroorzaken in de ruimte verandert, " zegt natuurkundige Milan Allan van LION, 'dat hebben we bewezen, inderdaad, zeer inhomogene supergeleiders bestaan, door ze voor het eerst in beeld te brengen."

De ontdekking leverde Doohee Cho op, Koen Bastiaans, Damianos Chatzopoulos en Allan a Nature papier, en kan de mysterieuze supergeleiding bij hoge temperatuur helpen verklaren.

Conventionele supergeleiding, waarin een materiaal een elektrische stroom geleidt zonder meetbare weerstand, werd in 1911 ontdekt. ​​De Leidse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes merkte op dat de elektrische weerstand van kwik verdween bij een temperatuur van 4,2 graden boven het absolute nulpunt.

Zeilboten

Dat was vreemd en onverwacht, omdat normaal, elektronen die door een metaal stromen, zal botsen op atomen of onregelmatigheden in de kristalstructuur, leidt tot elektrische weerstand.

Pas in 1957, het fenomeen werd verklaard door natuurkundigen Bardeen, Kuiper en Schrieffer. Ze lieten zien hoe elektronen die door een kristal stromen elkaar op afstand kunnen waarnemen, via trillingen in het kristalrooster, waardoor ze koppelden en zogenaamde Cooper-paren vormden.

Behalve elektronen, Cooperparen kunnen samensmelten en één groot collectief vormen, door het kristal bewegen. Dit collectief is veel groter dan individuele atomen of defecten, en het zal ze niet voelen. Het is een beetje zoals de gigantische golf die ongehinderd door een veld van zeilboten stroomt, waar kleine golven worden tegengehouden door individuele boten.

Supergeleiders op hoge temperatuur

Onverwacht, in 1986 ontdekten de Zwitserse natuurkundigen Bednorz en Müller een klasse van supergeleidende materialen bij ongewoon 'warme' temperaturen tot 90 graden boven het absolute nulpunt. Warm genoeg om te spreken van hoge temperatuur supergeleiding."

Dit belooft tal van toepassingen in technologie, variërend van praktisch verliesloze hoogspanningslijnen tot zwevende treinen, als de kritische temperatuur zou kunnen worden verhoogd tot kamertemperatuur.

"Maar de belofte werd niet vervuld, ", zegt Allan. Sommige applicaties komen langzaam op de markt, maar de kritische temperatuur stopte, misschien omdat tot op de dag van vandaag theoretische fysici begrijpen onconventionele supergeleiding niet helemaal, ondanks tientallen jaren van experimenten en theoretiseren.

Wat is er bekend, is dat Cooper-paren in deze supergeleiders veel kleiner en schaarser zijn in vergelijking met conventionele supergeleiders.

Josephson microscoop

"Er wordt al jaren over deze inhomogeniteit gesproken, " zegt Allan. Om het eindelijk te visualiseren, Allans groep gebruikte een speciaal soort Scanning Tunneling-microscoop (STM), die een monster afbeeldt door een kleine naaldpunt boven het oppervlak te bewegen. Terwijl de naald het oppervlak scant, de lokale eigenschappen worden gemeten, wat een beeld oplevert met een atomaire resolutie.

Het specifieke type STM wordt een Josephson-STM genoemd, waarbij de punt is bedekt met supergeleidend lood. Het maakt gebruik van het Josephson-effect:twee supergeleidende stromen kunnen een kleine niet-geleidende opening oversteken, in dit geval de opening tussen de punt en het monster. Door deze Josephson-stroom zorgvuldig te meten, de dichtheid van de Cooper-paren kan worden gemeten. Met behulp van andere microscopen, het kan tegelijkertijd de samenhang van de Cooper-paren in kaart brengen, een maatstaf voor hun stabiliteit.

Bubbel Cooper-paren

De afbeeldingen, elk ongeveer drie dagen scannen, toonde aan dat de coherentie en de dichtheid zeer inhomogeen waren.

Om de mogelijkheid uit te sluiten dat dit wordt veroorzaakt door inhomogeniteiten in het kristal zelf, de natuurkundigen beeldden ook de atomen af, maar dit leverde een heel ander patroon op. "Dit toont aan dat de inhomogeniteit niet alleen een gevolg is van het kristalrooster, maar in plaats daarvan, het is een eigendom van de Cooper-paren zelf, " zegt Allan.

Josephson STM's waren al eerder gebouwd en gebruikt, maar niet met de resolutie en betrouwbaarheid die deze afbeeldingen opleverden. "Het is een optelsom van vele individuele technische verbeteringen, waardoor we dit konden doen. En ook het kiezen van het juiste monster." Het zorgvuldig geselecteerde ijzertellurideselenide (FeTeSe) is een supergeleider voor hoge temperaturen, maar een relatief eenvoudige

Een nieuwe lens

De bevindingen kunnen theoretici verder helpen, zoals LION-fysici Jan Zaanen en Koenraad Schalm, los het mysterie op. Met zijn microscoop Allan hoopt binnenkort andere materialen te onderzoeken. "Het is als een nieuwe lens, een nieuw soort telescoop. Eindelijk, we kunnen kijken naar een belangrijke eigenschap van supergeleiding die voorheen niet kon worden gezien."