Een enkel meetresultaat is geen bewijs - dit is keer op keer aangetoond in de wetenschap. We kunnen pas echt vertrouwen op een onderzoeksresultaat als het meerdere keren is gemeten, bij voorkeur door verschillende onderzoeksteams, op enigszins verschillende manieren. Op deze manier, fouten kunnen meestal vroeg of laat worden ontdekt.

Echter, een nieuwe studie van prof.dr. Andrej Pustogow van het Institute of Solid State Physics van de TU Wien samen met andere internationale onderzoeksteams laat zien dat dit soms behoorlijk lang kan duren. Het onderzoek naar strontiumruthenaat, een materiaal dat een belangrijke rol speelt bij onconventionele supergeleiding, heeft nu een experiment weerlegd dat in de jaren negentig bekendheid verwierf, toen men dacht dat er een nieuwe vorm van supergeleiding was ontdekt. Zoals nu blijkt, echter, het materiaal gedraagt ​​zich vergelijkbaar met andere bekende supergeleiders voor hoge temperaturen. Hoe dan ook, dit is een belangrijke stap voorwaarts voor onderzoek.

Twee deeltjes met gekoppelde spin

Supergeleiding is een van de grote mysteries van de vastestoffysica:bepaalde materialen verliezen hun elektrische weerstand volledig bij lage temperaturen. Dit effect is nog steeds niet volledig begrepen. Wat is zeker, echter, is dat zogenaamde "Cooper-paren" een centrale rol spelen in supergeleiding.

In een normaal metaal, elektrische stroom bestaat uit individuele elektronen die met elkaar en met de metaalatomen in botsing komen. In een supergeleider, de elektronen bewegen in paren. "Dit verandert de situatie drastisch, ", legt Pustogow uit. "Het is vergelijkbaar met het verschil tussen een menigte in een drukke winkelstraat en de schijnbaar moeiteloze beweging van een dansend paar op de dansvloer." Wanneer elektronen worden gebonden in Cooper-paren, ze verliezen geen energie door verstrooiing en bewegen zich ongestoord door het materiaal. De cruciale vraag is:Welke voorwaarden leiden tot deze vorming van Cooper-paren?

"Vanuit een kwantumfysica oogpunt, het belangrijkste is de spin van deze twee elektronen, " zegt Pustogow. De spin is het magnetische moment van een elektron en kan zowel 'omhoog' als 'omlaag' wijzen. In Cooper-paren, echter, er vindt een koppeling plaats:in een 'singlet' toestand, de spin van het ene elektron wijst naar boven en die van het andere elektron naar beneden. De magnetische momenten heffen elkaar op en de totale spin van het paar is altijd nul.

Echter, deze regel, die bijna alle supergeleiders volgen, leek te zijn gebroken door de Cooper-paren in strontiumruthenaat (Sr ₂ RuO ₄ ). In 1998, resultaten werden gepubliceerd die Cooper-paren aangaven waarin de spins van beide elektronen in dezelfde richting wijzen (dan is het een zogenaamd "spin-triplet"). "Dit zou volledig nieuwe toepassingen mogelijk maken, " legt Pustogow uit. "Zulke triplet Cooper-paren zouden dan niet langer een totale spin van nul hebben. Hierdoor zouden ze kunnen worden gemanipuleerd met magnetische velden en worden gebruikt om informatie zonder verlies te transporteren, wat interessant zou zijn voor spintronica en mogelijke kwantumcomputers."

Dit veroorzaakte nogal wat opschudding, niet in de laatste plaats omdat strontiumruthenaat ook om andere redenen als een bijzonder belangrijk materiaal voor supergeleidingsonderzoek werd beschouwd:de kristalstructuur ervan is identiek aan die van cupraten, die supergeleiding bij hoge temperatuur vertonen. Terwijl deze laatste opzettelijk zijn gedoteerd met 'onzuiverheden' om supergeleiding mogelijk te maken, sr ₂ RuO ₄ is al supergeleidend in zijn pure vorm.

Nieuwe meting, nieuw resultaat

"Werkelijk, we hebben dit materiaal om een ​​heel andere reden bestudeerd, " zegt Pustogow. "Maar in het proces, we realiseerden ons dat deze oude metingen niet correct konden zijn." In 2019, het internationale team kon aantonen dat het zogenaamd exotische spin-effect slechts een meetartefact was:de gemeten temperatuur kwam niet overeen met de werkelijke temperatuur van het bestudeerde monster; in feite, het destijds bestudeerde monster was helemaal niet supergeleidend. Met dit besef in het achterhoofd, de supergeleiding van het materiaal werd nu met grote precisie opnieuw onderzocht. De nieuwe resultaten laten duidelijk zien dat strontiumruthenaat geen triplet-supergeleider is. Liever, de eigenschappen komen overeen met wat al bekend is van cuprates.

Echter, Pustogow vindt dit niet teleurstellend:"Het is een resultaat dat ons begrip van supergeleiding bij hoge temperaturen in deze materialen een nieuwe stap vooruit brengt. De bevinding dat strontiumruthenaat vergelijkbaar gedrag vertoont als cupraten, betekent twee dingen:aan de ene kant, het laat zien dat we niet te maken hebben met een exotische, nieuw fenomeen, en aan de andere kant betekent het ook dat we een nieuw materiaal tot onze beschikking hebben, waarin we reeds bekende fenomenen kunnen onderzoeken.” Ultrazuiver strontiumruthenaat is hiervoor beter geschikt dan eerder bekende materialen. Het biedt een veel schoner testveld dan cupraten.

In aanvulling, leert men ook iets over de betrouwbaarheid van oude, algemeen aanvaarde publicaties:"Eigenlijk, men zou kunnen denken dat resultaten in de vastestoffysica nauwelijks verkeerd kunnen zijn, ", zegt Pustogow. "In de geneeskunde moet je misschien genoegen nemen met een paar laboratoriummuizen of een monster van duizend proefpersonen, we onderzoeken miljarden miljarden (ongeveer 10 ¹⁹ ) elektronen in een enkel kristal. Dit verhoogt de betrouwbaarheid van onze resultaten. Maar dat betekent niet dat elk resultaat helemaal correct is. Zoals overal in de wetenschap, het reproduceren van eerdere resultaten is onmisbaar in ons vakgebied, net als het vervalsen ervan."