Hoge temperatuur supergeleiding dankzij spinfluctuaties

Hoge temperatuur supergeleiding werd ontdekt in 1986. Dankzij het 'bakken en braden' van steeds betere materialen is de kritische temperatuur (waarboven de supergeleiding verdwijnt) inmiddels opgelopen tot zo'n -150 ß8C. Maar sinds een paar jaar geleden is er sprake van stagnatie. Een verdere doorbraak wordt gefrustreerd door het ontbreken van een adequate theorie. Op zichzelf is dat niets nieuws: gewone supergeleiders als lood en tin, die werken bij temperaturen van enkele graden boven het absolute nulpunt, werden in 1911 ontdekt terwijl de BCS-theorie dateert van 1957.

Die BCS-theorie (naar de opstellers Bardeen, Cooper en Schrieffer) werkt met elektronenparen. Als de temperatuur laag genoeg is creëren ze fononen, golven in het kristalrooster, en bewegen 'als een surfer' weerstandsloos door het materiaal. Tegelijk voorspelt BCS dat dat vanaf ongeveer -230 ß8C de elektronenparen vanwege de toegenomen thermische bewegingen uiteenvallen. Waarmee de vraag rijst hoe de paren bij hoge temperatuur supergeleiders het volhouden.

De nieuwe supergeleiders verschillen in bouw sterk van de oude. Het zijn geen metalen of legeringen maar gelaagde strukturen waarin koperoxide-vlakken worden afgewisseld met vlakken met andere atomen. De overgangstemperatuur hangt sterk af van deze afwisseling en van van de soort atomen in de tussenliggende lagen. Elektronenparen, in principe aan zo'n vlak gebonden, zijn dankzij fononen toch in staat van de ene naar de andere laag te 'hoppen'. Hierdoor, zo stellen sommige theoretici, is het voor elektronen alsnog voordelig in paren te opereren, die dan ook nog eens sterk genoeg zijn om zelfs bij hogere temperatuur te kunnen voortbestaan.

Andere fysici geloven daarentegen dat bij de nieuwe supergeleidende materialen verstoringen in anti-ferromagnetisme de crux vormen. Bij anti-ferromagnetisme staan de spins, die het magnetisch veld van de koperatomen aangeven, om en om gericht. Anti-ferromagneten zijn geen supergeleiders. Supergeleiding wordt pas mogelijk wanneer extra atomen de regelmaat verstoren zodat de spins alle kanten gaan opstaan. Maar kleine groepjes koperatomen kunnen voor korte tijd hun anti-ferromagnetisme handhaven en een elektronpaar kan in zo'n spinfluctuatie opgesloten raken. Door nu het pad van de spinfluctuatie te volgen, zorgen die paren alsnog voor supergeleiding.

Welk van beide theorieën is juist? Op een congres in Grenoble zijn onlangs experimentele resultaten gepresenteerd die de spinfluctuaties lijken te ondersteunen. Die werken namelijk met elektronenparen als dubbelsterren, met een quantummechanische d-golf als onderliggende symmetrie. Fononen daarentegen geven s-golven, zonder draaimoment. Verder hebben twee d-golven die langs rijen koperatomen lopen die loodrecht op elkaar staan volgens de quantummechanica een faseverschil van een half: ze lopen uit de maat. S-golven in verschillende richtingen vertonen geen faseverschil.

Precies dit onderscheid is door de Amerikaanse fysicus Dale van Harlingen aangegrepen voor een experiment. Hij gebruikte daarbij een blokje hoge temperatuur supergeleider met rond een hoek een laagje isolerend materiaal en lood (een gewone supergeleider). Elektronenparen die vanuit het lood door de isolater naar de hoge temperatuur supergeleider 'tunnelen' (het Josephson effect) doen dat tegelijk in twee richtingen loodrecht op elkaar. Zijn het d-golven, dan doven ze vanwege het faseverschil uit, bij s-golven gebeurt dat niet.

Afkoeling tot nabij het absolute nulpunt, wanneer ook lood supergeleidend wordt, leverde als uitkomst dat er geen lading stroomde: de golven hadden elkaar uitgedoofd. Maar werd de hoekvorm vervangen door een vlakke laag, liep er wel stroom.

Deze sterke aanwijzingen voor spinfluctuaties zullen niet direct tot een algemeen aanvaarde theorie leiden, maar na jaren in het duister te hebben getast zien theoretici weer licht aan het eind van de tunnel. (Science, 12 aug.)