STM-MICROSCOOP ZIET WANDELENDE WERVELS IN SUPERGELEIDERS

Natuurkundigen verbonden aan het Kamerlingh Onnes Laboratorium in Leiden zijn erin geslaagd in een supergeleidend materiaal de posities en de bewegingen vast te leggen van vortices: stroomwervels om bundels magnetische veldlijnen die van buitenaf in de supergeleider doordringen (Nature, 17 juni; FOM Newton News, 1999/4). Op filmpjes (gemaakt met een Scanning Tunneling Microscoop) is te zien hoe de wervels, gegroepeerd in een honingraat-patroon, door het kristalrooster van de supergeleider bewegen. Ook is te zien hoe ze worden aangetrokken en vastgehouden (gepind) door de aanwezige defecten in dat rooster.

Supergeleiders zijn materialen waarin een elektrische stroom geen weerstand ondervindt. Het verschijnsel treedt op bij zeer lage temperatuur en bestaat erin dat elektronen paren vormen die zonder energieverlies door het kristalrooster bewegen. Supergeleidende materialen zijn er in twee soorten. Type I schermt zich volledig af voor een uitwendig magneetveld (het Meissner-effect), in type II dringen de veldlijnen op sommige plaatsen de supergeleider toch binnen, maar worden ze door kringstroompjes in bundels samengeperst. De combinatie van een bundel veldlijnen en een kringstroompje heet vortex. Vortices stoten elkaar af en vormen een honingraat-structuur.

Wanneer vortices zich vrij door de supergeleider bewegen, is het afgelopen met de supergeleiding. Dit valt te verhelpen door ze vast te pinnen aan defecten (onregelmatigheden) in het kristalrooster, of aan verontreinigingen: atomen van een ander element dan waaruit de zuivere supergeleider bestaat. In Leiden werden in de groep van prof.dr. P.H. Kes in de zuivere type-II supergeleider NbSe2 (niobiumdiselenide) langwerpige defecten gecreëerd door er loodionen doorheen te schieten.

Op de opnames van de STM, die net als de supergeleider met behulp van vloeibaar helium tot 4,3 graden boven het absolute nulpunt (-273 °C) werd afgekoeld, zijn de defecten als zwarte stipjes zichtbaar. Ook de wervels zijn op de foto's zichtbaar. De productietijd van een foto (scannen plus data-opslag) was ongeveer tien seconden. Dit is voldoende snel om een filmje te maken. Daarop is te zien hoe het honingraat-patroon aan wervels met een (trage) snelheid van 0,89 nm/s door het zuivere NbSe2 schuift (een nanometer is een miljoenste millimeter). Zijn er defecten, dan blijven wervels er aan hangen, of zwabberen er wat omheen, dit ten koste van de honingraat-structuur. (Dirk van Delft)