Slingerende stripes

Voor de verklaring van supergeleiding bij hoge temperatuur bestonden veel theorieën, maar na een nieuw Nederlandse experiment blijven er nog maar een paar over.

`Het is een rare tijd', zegt de Groningse natuurkundige prof.dr. Dirk van der Marel. Verrassende resultaten duiken de laatste maanden ineens bij bosjes op in zijn vakgebied, de hoge temperatuur-supergeleiding. Eén daarvan is het artikel van hem en Groningse en Leidse collega's, dat gisteren in het tijdschrift Science verscheen.

Van der Marel en collega's zagen dat de hoge-temperatuur-supergeleider BiSrCaCuO, ook wel BSSCO genoemd, subtiel van kleur verandert. Zo gauw de supergeleiding intreedt en de elektrische weerstand van het materieel helemaal wegvalt wordt het zwartgrijze kristal een heel klein beetje rood.

Deze kleurverandering heeft de theorie over het ontstaan van hoge temperatuur-supergeleiding op zijn kop gezet. `Gewone' supergeleiding, bij temperaturen vlak boven het absolute nulpunt, was begin vorige eeuw ontdekt, en later verklaard doordat losse elektronen in de vaste stof cooperparen vormen. Normaal stoten elektronen elkaar af, maar in supergeleiders `oude stijl' trekken ze elkaar aan door een subtiele interactie met het kristalrooster.

Vervolgens versmelten al die cooperparen tot een bijzondere quantummechanische toestand, het Bose-Einstein-condensaat. Dat betekent dat ze zich collectief gedragen als een eenheid, die in zijn bewegingen geen hinder meer ondervindt van het kristalrooster. De elektronen bewegen dan zonder weerstand door het materiaal, dat daardoor supergeleidend is.

Deze theorie gold echter niet voor de nieuwe klasse supergeleiders die in 1986, omgeven door enorme publiciteit, ten tonele verscheen. Het opvallendst was dat de supergeleiding blijft bestaan tot temperaturen van wel 150 graden boven het absolute nulpunt. Een supergeleider bij kamertemperatuur leek in zicht, goed voor superzuinige magneettreinen, motoren en energietransport. Die beloften zijn nauwelijks uitgekomen. Theoretisch was er een probleem: de temperaturen zijn te hoog om de cooperparen bij elkaar te houden.

Op de vraag wat de elektronen dan wel tot paren bindt, zijn in de loop van de tijd honderdduizend artikelen in wetenschappelijke bladen verschenen. Het experiment van Van der Marel en collega's gooit een aantal mogelijke kandidaat-mechanismen overboord.

``Het supergeleidende BiSrCaCuO absorbeert licht met grotere golflengte ietsje beter dan normaal,'' zegt Van der Marel. Dat wijst erop dat de gepaarde elektronen die de supergeleidende toestand veroorzaken gemakkelijker door het materiaal bewegen dan losse elektronen. ``Blijkbaar zit de energiewinst van de paarvorming in het feit dat de elektronen samen minder energie nodig hebben voor hun voortbeweging en niet in een wisselwerking à la de oude theorie, waarin gepaarde elektronen juist moeizamer bewegen. De enige theorie die overblijft is die van de stripes, of iets wat erop lijkt.''

Van de Marel doelt op een verschijnsel dat de Leidse theoretisch natuurkundige prof.dr. Jan Zaanen eind jaren tachtig voorspelde. De koperatomen van de meeste hoge temperatuur-supergeleiders zitten in dunne laagjes, waarin ieder atoom een eigen magneetveldje draagt, tegengesteld aan dat van zijn buurman. In het resulterende schaakbordpatroon kan het elektron, zelf ook een miniem magneetje, zich maar moeilijk verplaatsen. Makkelijker wordt dat, bedacht Zaanen, als de elektronen slierten langs (stripes) koperatomen vormen.

Aanvankelijk nam niemand stripes serieus, maar in 1995 werden ze voor het eerst gezien, in een isolator. Aanwijzingen voor hun bestaan doken sindsdien regelmatig op, maar de laatste maanden kwam er een hausse aan stripe-artikelen los. ``Het lijkt zelfs wel een hype,'' zegt Zaanen.

kronkelen

Wat precies het verband is tussen stripes en supergeleiding, is echter nog geen uitgemaakte zaak. ``Er is een plausibel mechanisme dat suggereert dat stripes de vorming van cooperparen stimuleren en dat dan, in overeenstemming met het resultaat van Van de Marel, hun bewegingsenergie afneemt,'' legt Zaanen uit. ``Maar dat is niet voldoende. Zolang stripes op hun plek blijven vormen ze juist een obstakel voor supergeleiding.'' De losstaande stripes isoleren de elektronenparen, zodat ze niet samensmelten tot het begeerde Bose-Einstein-condensaat. Dat gebeurt vermoedelijk pas als de stripes snel kronkelen en elkaar gaan overlappen. Hoge temperaturen, onzuiverheden en andere storingen zouden de neiging hebben om stripes vast te pinnen, waardoor de supergeleiding verdwijnt.

Eén sterke experimentele aanwijzing voor dit verband is een resultaat van Amerikaanse onderzoekers (Science, 18 jan), die de supergeleider BSCCO in een magneetveld aftastten met een Scanning Tunneling Microscoop (STM). Deze techniek kan met een zeer hoge resolutie elektronenverdeling in kaart brengen.

De Amerikanen zagen statische stripes, precies volgens de afmetingen van Zaanens model, in een klein gebied rond een smalle bundel magnetische veldlijnen die in de supergeleider doordringt. Het is bekend dat magnetisme de supergeleiding tegenwerkt, en blijkbaar hoort daar ook het vastpinnen van stripes bij.

Ook in allerlei varianten van een andere bekende hoge temperatuur-supergeleider, YBaCuO, zijn recent stripes gerapporteerd. Statische (gezien met STM) en fluctuerende, aangetoond door het materiaal te beschieten met neutronen. ``Het vermoeden rijst dat dit soort exotische vormen van ladingsconcentratie vaak voorkomen,'' zegt Van der Marel, ``misschien ook buiten de supergeleiding.''

Maar al lijken stripes een steeds sterkere troef, toch lijkt het ál of niet stilstaan ervan nog niet het hele verhaal te zijn. Een nog ongelubliceer artikel van de universiteit Stanford beschrijft STM-metingen van statische stripes, tegelijkertijd met supergeleiding. Een raadsel. ``Dat artikel heeft alles op zijn kop gezet,'' zegt Van der Marel.