Wetenschap
Kristalstructuur van de "vreemde metalen" supergeleider YbRh 2 Si 2 en een weergave van de cryostaat die voor de metingen is gebruikt. Krediet:Technische Universiteit Wenen
Een verrassende ontdekking aan de TU Wien zou kunnen helpen bij het oplossen van het raadsel van supergeleiding bij hoge temperaturen:een beroemd 'vreemd metaal' bleek een supergeleider te zijn.
Bij lage temperaturen, bepaalde materialen verliezen hun elektrische weerstand en geleiden elektriciteit zonder enig verlies - dit fenomeen van supergeleiding is bekend sinds 1911, maar het is nog steeds niet helemaal begrepen. En dat is jammer, want het vinden van een materiaal dat zelfs bij hoge temperaturen nog steeds supergeleidende eigenschappen zou hebben, zou waarschijnlijk een technologische revolutie teweegbrengen.
Een ontdekking aan de TU Wien (Wenen) zou een belangrijke stap in deze richting kunnen zijn:een team van vastestoffysici bestudeerde een ongewoon materiaal - een zogenaamd "vreemd metaal" gemaakt van ytterbium, rhodium en silicium. Vreemde metalen vertonen een ongebruikelijke relatie tussen elektrische weerstand en temperatuur. In het geval van dit materiaal deze correlatie is te zien in een bijzonder breed temperatuurbereik, en het onderliggende mechanisme is bekend. In tegenstelling tot eerdere veronderstellingen, nu blijkt dat dit materiaal ook een supergeleider is en dat supergeleiding nauw samenhangt met vreemd metaalgedrag. Dit zou ook de sleutel kunnen zijn tot het begrijpen van supergeleiding bij hoge temperaturen in andere materiaalklassen.
Vreemd metaal:lineaire relatie tussen weerstand en temperatuur
In gewone metalen, elektrische weerstand bij lage temperaturen neemt toe met het kwadraat van de temperatuur. In sommige hoge-temperatuur supergeleiders, echter, de situatie is heel anders:bij lage temperaturen, onder de zogenaamde supergeleidende overgangstemperatuur, ze vertonen helemaal geen elektrische weerstand, en boven deze temperatuur neemt de weerstand lineair in plaats van kwadratisch toe met de temperatuur. Dit is wat "vreemde metalen" definieert.
"De afgelopen jaren werd daarom al vermoed dat deze lineaire relatie tussen weerstand en temperatuur van groot belang is voor supergeleiding, " zegt prof. Silke Bühler-Paschen, die aan het hoofd staat van het onderzoeksgebied "Quantum Materials" aan het Institute of Solid State Physics aan de TU Wien. "Maar helaas, tot nu toe wisten we geen geschikt materiaal om dit diepgaand te bestuderen." In het geval van supergeleiders bij hoge temperaturen, de lineaire relatie tussen temperatuur en weerstand is meestal alleen waarneembaar in een relatief klein temperatuurbereik, en, verder, verschillende effecten die onvermijdelijk optreden bij hogere temperaturen kunnen deze relatie op gecompliceerde manieren beïnvloeden.
Er zijn al veel experimenten uitgevoerd met een exotisch materiaal (YbRh2Si2) dat vreemd metaalgedrag vertoont over een extreem breed temperatuurbereik, maar, verrassend genoeg, uit deze extreme toestand van "vreemd metaal" leek geen supergeleiding te komen. "Er zijn al theoretische overwegingen naar voren gebracht om te rechtvaardigen waarom supergeleiding hier gewoon niet mogelijk is, ", zegt Silke Bühler-Paschen. "Toch, we besloten om nog eens naar dit materiaal te kijken."
Recordbrekende temperaturen
Aan de TU Wenen, er is een bijzonder krachtig lagetemperatuurlaboratorium beschikbaar. "Daar kunnen we materialen bestuderen onder extremere omstandigheden dan andere onderzoeksgroepen tot nu toe hebben kunnen doen, " legt Silke Bühler-Paschen uit. Ten eerste, het team kon aantonen dat in YbRh2Si2 de lineaire relatie tussen weerstand en temperatuur bestaat in een nog groter temperatuurbereik dan eerder werd gedacht - en toen deden ze de belangrijkste ontdekking:bij extreem lage temperaturen van slechts één millikelvin, het vreemde metaal verandert in een supergeleider.
"Dit maakt ons materiaal bij uitstek geschikt om uit te zoeken op welke manier het vreemde metaalgedrag leidt tot supergeleiding, ", zegt Silke Bühler-Paschen.
Paradoxaal genoeg, het feit dat het materiaal pas bij zeer lage temperaturen supergeleidend wordt, zorgt ervoor dat het bijzonder goed kan worden gebruikt om supergeleiding bij hoge temperaturen te bestuderen:"De mechanismen die tot supergeleiding leiden, zijn bijzonder goed zichtbaar bij deze extreem lage temperaturen omdat ze niet worden bedekt door andere effecten in dit regime.In ons materiaal, dit is de lokalisatie van enkele van de geleidingselektronen op een kwantumkritisch punt. Er zijn aanwijzingen dat een soortgelijk mechanisme ook verantwoordelijk kan zijn voor het gedrag van hoge-temperatuur-supergeleiders zoals de beroemde cuprates, ", zegt Silke Bühler-Paschen.
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com