De eerste Tukker-juncties

Met supergeleidende Josephson-juncties kun je bliksemsnel schakelen en zelfs hersengolven meten. Nadeel: ze werken meestal pas bij 269 graden onder nul. Onderzoekers in de hele wereld zijn daarom op zoek naar hoge temperatuur-juncties en onlangs behaalde de TU Twente daarbij een spectaculair succes.

Boele Klopman heeft er die donderdagmiddag 5 juli de pest in. Samen met Ju Gao is hij aan vakantie toe. Al weken meten ze om het spijkerharde bewijs in handen te krijgen dat ze Josephson-juncties hebben gefabriceerd. Anders dan Boele lijkt Gao zijn optimisme die dag niet te hebben verloren. Maanden werk aan de supergeleidende laagstructuren kunnen toch niet voor niets zijn geweest? Tot nu toe slaagden alleen IBM-wetenschappers in Yorktown Heights erin Josephson-juncties van nieuwe hoge-temperatuur (HTc) supergeleiders met redelijke kwaliteit te maken. Op de Universiteit Twente proberen onderzoekers onder leiding van prof. dr. Horst Rogalla de elektro-bouwsteentjes op een andere manier samen te stellen.

De Delftenaar en de Chinees zijn erop gebrand zogenaamde Shapiro-stappen in de stroom-spanningscurve op hun oscilloscoop te zien. Zo tonen juncties hun quantummechanische reactie. In vloeibaar helium en onder het instralen van microgolven moeten de discontinuiteiten zichtbaar worden. Meten in die koude is lastig. Ook al heeft Gao stalen zenuwen en trillingsloze handen, de zilverpasta waarmee hij de elektrische contacten op de juncties vastzet wil nogal eens tegenwerken. Ook nu. Weer een middag verloren en nog geen Shapiro-stapje gemeten.

Als de cryostaat met helium alweer staat op te warmen komt universitair hoofddocent dr. ir. Gerrit Gerritsma de labruimten van de vakgroep Lage Temperaturen binnenvallen. Hij veegt de regendruppels van zijn beslagen bril en zet de handen in zijn zij. ' Meten we door vanavond?' Demonstratief pakt Boele zijn CD-walkman.

In 1962 deed de 22-jarige Brian Josephson tijdens zijn studie in Cambridge een ontdekking waar hij elf jaar later de Nobelprijs voor zou krijgen. Volgens zijn berekeningen hadden twee supergeleiders materialen die onder bepaalde omstandigheden hun elektrische weerstands verliezen elektrisch contact met elkaar ook al waren ze gescheiden door een dun isolerend laagje. De koele formules vertelden Josephson dat elektronenparen over de isolerende barriere konden springen. Het was alsof een atletiekcoach berekende dat het voor zijn pupil mogelijk moest zijn om over een 30 meter breed ravijn te springen.

Veel ongeloof

De quantummechanische sprong die Josephson berekende was in 1962 niet onbekend. Fysici wisten dat tussen twee metalen, waarover een spanning was aangelegd, dit 'tunnel'-effect optrad. Het bijzondere van Josephsons becijferingen was echter, dat voor supergeleiders niet eens een spanning nodig was om de elektronen het duwtje over het verboden gebied te geven. In kringen van experimentele fysici gaf dat destijds veel ongeloof. Maar nog datzelfde jaar toonde S. Shapiro aan dat Josephson gelijk had. De discontinuiteiten in de stroom-spanningskarakteristiek waar Gao en Boele naar zoeken zijn naar hem genoemd.

Josephson-juncties zijn essentieel voor zogenaamde actieve supergeleidende elektronica. Ze maken het mogelijk zeer nauwkeurig magnetische signalen te meten. Met squids, superconducting quantummechanic interference devices. Daarbij zijn twee van deze barrieres in een supergeleidende ring opgenomen.

De sensoren zijn zelfs gevoelig voor de magnetische flux die wordt veroorzaakt door ladingsbewegingen in hart en hersenen. Ze maken magneto-cardiografie en magneto-encefalografie mogelijk. De signalen zijn zo'n miljoen maal zwakker dan het aardmagnetisch veld.

Hoge temperaturen-squids verkeren nog in een experimenteel stadium. Proefopstellingen bij Siemens en het Biomagnetisch Centrum in Twente zijn uitgerust met squids die nog van klassieke supergeleiders zijn gemaakt. Deze moeten worden gekoeld met vloeibaar helium tot 4,2 Kelvin. Met de supergeleider lood heeft IBM in de jaren zeventig al aangetoond dat Josephson-juncties ook te gebruiken zijn om te rekenen. Een Japans negen-jaarsproject van 360 miljoen gulden, dat in april dit jaar afliep, bevestigde dat nog eens. Motief voor zulk grootscheeps onderzoek vormen de geringe warmteverliezen die in supergeleidende verbindingen optreden. Zeer kleine structuren zijn dan in principe mogelijk en de stroompulsjes hebben dan minder tijd nodig om van component tot component te razen.

Hoge-temperatuur tunneljuncties bestaan ook al. Men heeft ze echter steeds moeten lospeuteren uit dunne keramische lagen. Daarbij wordt gezocht naar grain boundaries, natuurlijke grensvlakken in de kristallen, die op dezelfde manier hun werk doen als een isolerend laagje. Op die manier is overduidelijk aangetoond dat 'tunnelen' ook voor de nieuwe keramische supergeleiders is weggelegd. Maar de tienduizenden juncties die voor een chip nodig zijn, peuter je niet zomaar los. IBM, Philips, TRW, Bellcore: allemaal zijn ze daarom benieuwd of ze HTc-Josephsonjuncties op een gecontroleerde manier kunnen reproduceren.

Yu Gao kan het niet laten om in en na het weekend door te werken. Terwijl heel Lage Temperaturen in de zon ligt, wordt hij op maandag verrast: hij meet squid-modulatie tot 66 Kelvin. Simpeler gezegd: hij heeft een squid samengesteld met twee juncties en neemt de quantummechanische eigenschappen tot min 207 graden Celsius waar. De eerste Tukker-juncties: door een Chinees gemaakt. Gao glimt als hij het vertelt: ' Hiervoor heb je vrijwel identieke juncties nodig. Dat betekent dus reproduceerbaarheid.' De squid werkt echter niet bij 77 Kelvin, de temperatuur van kokende stikstof. Deze grens is belangrijk, omdat stabiel vloeibaar stikstof een goedkoop koelmiddel is dat op industriele schaal wordt vervaardigd en in elk ziekenhuis en laboratorium aanwezig is. Anderzijds zijn er tegenwoordig kleine koelmachines op de markt die met helium in een gesloten systeem werken en die aan een stekker in het stopcontact genoeg hebben om tot 40 kelvin te koelen.

YBaCuO-x

De juncties die in Twente zijn gemaakt bestaan uit twee lagen supergeleidend YBaCuO-x (Yttrium-Barium-Koper-Oxyde, YBCO in de wandeling), dezelfde perovskiet waarmee Paul Chu van de universiteit van Houston de stikstofgrens doorbrak. Tussen de YBCO-lagen zit een normaal geleidend kristal dat sterk op YBCO lijkt, maar waarbij yttrium vervangen is door praseodymium-atomen. Supergeleiding-onderzoekers over de aardbol verwisselen deze zeldzame aardmetalen al ruim een jaar met elkaar. Niet uit verstrooidheid, maar omdat de grenzen van Y met Pr in het kristalrooster atoomscherp zijn. Dat zint natuurkundigen.

Sterk vergroot zien de laagstructuren eruit als de deeglagen in Indische spekkoek. Kristallagen met verschillende samenstelling kunnen worden afgewisseld, net als in spekkoek deeg en chocoladedeeg. 'Groeien' heet dat bakken. Maar keramische materialen zoals YBCO hebben de eigenaardigheid dat ze in de laagrichting niet alleen het gemakkelijkst groeien, maar ook de stroom het beste geleiden. In kristaljargon heet dat anisotroop. In richtingen die de stroom goed geleiden 'tunnelt' het ook beter. In YBCO heet die laagrichting a-b.

Tussen de lagen, in de derde dimensie c, zijn geen grote stroomdichtheden mogelijk. De elektronen bewegen het liefst evenwijdig aan de koperoxydevlakken die in de a-b-richting liggen. Onderzoekers van Bellcore kregen het eind 1989 al voor elkaar supergeleidende/normaalgeleidende/supergeleidendegen (SNS) in de c-richting te stapelen. Het quantummechanische effect (dat bij een normaalgeleidende tussenlaag geen tunneling maar koppeling heet) vonden ze tot slechts 6 Kelvin. Daarboven was het afgelopen.

Sandalen

Tussen Keulen en Aken in Julich wijzen borden met 'Formungsinstitut' de weg. Dr. Alex Braginski- 61, relaxed en sandalen toont zich niet zo onder de indruk van de Twentse resultaten. ' De moeite waard, het is een stap in de goede richting, maar toch simpel een trouwerij tussen twee bestaande ideeen', concludeert de vooraanstaande supergeleidings-onderzoeker.

De resultaten die IBM-onderzoekers in Yorktown Heights behaalden hebben meer indruk op Braginski gemaakt. In Big Blue's lab slaagden Laibowitz en zijn collega's er in tunneljuncties te maken met een barriere die lijkt op natuurlijke kristalgrensvlakken. 'Excellent' noemt hij die juncties, die net als de juncties in Twente gefabriceerd zijn door optimaal gebruik te maken van de anisotrope YBCO-kristallen.

Yorktown en Twente zorgden ervoor dat de quantummechanische koppeling in de a-b-richting lag, en niet, zoals de Bellcore-juncties, langs de kristallografische c-as. In Twente bereikte men dat door na het bedekken van YBCO met een deken van PrBCO, de helft van de laag weer weg te bombarderen met argon-atomen. Op de ontstane helling legde men in Twente de junctie: een dun normaalgeleidend PrBCO-laagje en daarover weer een dikkere YBCO-laag. Lage Temperaturen gebruikte de configuratie van Yorktown en het isolatiemateriaal van Bellcore. Een natuurlijke stap, zo oordeelt Braginski. In Julich is hij echter nog niet gezet.

Van de drie grootste favorieten YBaCuO-x, BiSrCaCuOx en TlCaBaCuOx experimenteren de meeste laboratoria met de YBaCuO-verbinding. ' Ik hoop het niet', antwoordt Bragingski als hem gevraagd wordt of YBCO het silicium van de supergeleidende elektronica wordt. Hoewel van de yttrium-verbinding mooie gladde lagenstructuren kunnen worden 'gekweekt' verliest het zuurstof en dus ook supergeleidbaarheid op de grensvlakken. Braginski: ' Ik ben voorstander van thallium, maar dat is zeer giftig. Plastic handschoenen helpen niet eens. Weinig instituten durven ermee te werken. STI in Californie is helemaal toegerust op thallium, zij verkopen al microgolf-resonators. Ze worden in 1992 door het Naval Researchlab in de VS met een satelliet getest. '

Gympen

Vierhonderd kilometer verder dan Julich, in het Kernforschungszentrum Karslruhe heerst lichaamstemperatuur. Maar dat prof. dr. Hermann Rietschel, hoofd van KfK's Institut fur Nucleare Festkorperphysik ook niet klaarstaat om te applaudisseren komt niet door de warmte. ' Ieder probeert zijn resultaten zo duur mogelijk te verkopen', reageert hij koeltjes. Toch gaat Rietschel gympen, krullen en T-shirt iets verder dan Braginski: ' Alleen als Rogalla het werkelijk kan reproduceren zou het een grote vooruitgang zijn, maar dat betwijfel ik.'

De prestatie van Yorktown Heights, dat is pas een doorbraak, zo meent ook Rietschel.

Op de Universiteit Twente gaat prof. dr. Horst Rogalla's zachte stem regelmatig verloren in het straaljagergeraas van de nabije vliegbasis. Een licht geirriteerde toon is duidelijk hoorbaar. De wetenschappelijke publikaties van zijn medewerkers worden volgens de hoogleraar bijna in gevaar gebracht door de informele verspreiding van het nieuws. Het regent volgens Rogalla al telefoontjes van wetenschappers die het fijne van de vondst wilden weten. ' Het is voor anderen niet moeilijk een preprint naar een publisher te sturen met onze resultaten. Cijfers kunnen op een later tijdstip nog altijd worden veranderd'. Rogalla en zijn medewerker Gerritsma zijn niet onder de indruk van het commentaar uit Duitsland. ' Bijna honderd procent van onze juncties werkt. En ze zijn te vergelijken met Josephson-juncties van klassieke materialen', zegt Rogalla. Gerritsma: ' Bij IBM hadden ze een opbrengst van een tiende, waarvan maar vijf procent met goede eigenschappen. Bij ons werken er vier op de vijf.' De junctiestructuur van Big Blue's onderzoekers in New York lijkt op een kunstmatig gemaakte grain-boundary. Maar de laagdikte van de praseodymium-perovskiet is in principe varieerbaar, en daar liggen volgens Rogalla de kansen. ' We hebben controle over het proces. Het is alleen de vraag welke parameters nog van invloed zijn op de junctie.' Dr. P. F. Bongers, coordinator Supergeleiding van Philips Natuurkundig Laboratorium is geinteresserd in supergeleidende schakelaars vanwege het snelle rekenwerk dat ze mogelijk maken. ' Het voordeel van HTc', zegt Bongers, ' is dat je halfgeleiding met supergeleiding kan combineren op hybride schakelingen die bij 77 Kelvin werken'.

Maar praktische HTc-schakelingen verwacht Bongers zeker niet eerder dan over vijf jaar. ' Want supergeleidende micro-elektronica vergt van de structurering in fijne details het onderste uit de kan.'

Het moet duizend maal kleiner dan de afmetingen in huidige patroontjes op geintegreerde schakelingen. Supergeleidend rekenen heeft geen enkele kans als dat niet lukt.

De concurrentie is daarbij groot. ' Wil je aan het front meekomen, dan lukt dat met vijftien man niet', zegt Bongers. Philips gaat daarom binnenkort samenwerken met Thomson CSF en de universiteiten van Cambridge en Parijs in een Esprit-programma. Kern van de activiteiten zal het onderzoek naar de Josephson-junctietechnologie zijn, met als ver doel de graal van de supergeleidende elektronica: de 'three-terminal device', een stroomversterkertje dat lijkt op een transistor. Daarmee zou een schakelende configuratie van verschillende Josephson-juncties kunnen worden vervangen.

Tien miljoen

In Nederland werd er de afgelopen twee jaar tien miljoen gulden besteed aan het programma HTc-supergeleiding. De stuurgroep, waar Bongers voorzitter van is, heeft onlangs weer een nieuw programma ingediend.

In de Verenigde Staten vormden AT en T, IBM en MIT onlangs een consortium met het doel elektronische toepassingen zoals squids, juncties en IC's en te ontwikkelen met HTc-keramiek als basis. Hermann Rietschel van KfK, die tevens 'Direktor' is van het enige officiele Westduitse consortium op supergeleidingsgebied Gesellschaft fur angewandte Supraleitung (GAS), wordt een beetje zenuwachtig van dat machtsvertoon.' Dertig tot veertig onderzoeksgroepjes souperen hier 40 miljoen mark op. Die doen HTc-supergeleiding om het geld. Zeker in het verleden was er geen echte samenwerking, maar ze hadden wel hun organogrammen: duizenden namen in hokjes met stokjes ertussen. Allemaal onzin. Een blokje voor Kiel, eentje voor Munchen. Die kennen elkaar misschien niet eens, maar ze hebben in ieder geval hun doosjes en hun geld.' Al deze groepen doen hetzelfde, dus is het geld weggegooid volgens Rietschel die het totale bedrag dat in Duitsland aan supergeleiding besteed wordt op 100 miljoen mark schat.

'Wij willen die activiteiten concentreren', zegt hij. Onderzoekers van bij GAS betrokken bedrijven als Daimler-Benz AG, Asea-Brown-Boveri AG en Robert-Bosch GmbH komen nu voor drie jaar naar Karlsuhe om gezamenlijk research te doen. Maar dat is volgens Rietschel nog niets bij het International Superconductivity Technology Center in Tokio. ' Daar delen honderd bedrijven een lab. Zij concentreren. Machtig. En wij strooien geld.' ' Ach', zegt Rogalla, ' In Nederland hebben we een heel plezierige samenwerking zonder consortia. De vraag is hoeveel papierwerk en organisatie je nodig hebt om elk idee uit te werken. De fysica moet naar voren en niet de organisatiestructuur. Er moet een structuur zijn, maar er is ook een creatieve atmosfeer nodig. Als die er niet is', zucht Rogalla diep, ' dan moet men veel geld in de zaak pompen. Daar is ook HTc voor gebruikt, in Duitsland en in de USA,

Door mensen die carriere in het wetenschapsmanagement willen maken.' Een SQUID, een supergeleidende sensor die zeer gevoelig is voor zwakke magneetvelden. Zelfs het magnetische veld dat door de hersenen wordt geproduceerd kan met een SQUID worden gemeten. Het bestaat uit een supergeleidende basiselektrode (omgekeerd T-vormig) en een gedeeltelijk overlappende (vorkvormige) topelektrode. Op de rand, waar de elektroden elkaar overlappen worden twee SNS Josephson juncties gevormd. De SQUID ring heeft een rechthoekig gat, waardoor een rechthoekig circuit ontstaat waardoor een supergeleidende kringstroom kan lopen.

Een magneetveld loodrecht op de bovenkant van de SQUIDmanifesteert zich in een karakteristieke uitslag van een voltmeter die op de SQUID wordt aangesloten. Het magneetveld kan zo worden opgemerkt en gemeten.