Elektronenparen blijven een patroon vormen als de supergeleiding al weg is
Natuurkundigen in de VS zagen in het metaal uraniumditelluride een golfpatroon van elektronenparen dat blijft bestaan boven de temperatuur waarbij het materiaal supergeleidend is. Zo'n patroon werd in 2007 voorspeld. De volgende stap is kijken of het ook binnenin het materiaal zit.
Supergeleiders zijn materialen die stroom geleiden zonder dat er energie verloren gaat. Ze zitten al in MRI-scanners, in deeltjesversnellers en in de magneten van kernfusiereactoren. Er is één groot nadeel: de meeste werken alleen als ze extreem koud zijn. Wie precies begrijpt hoe supergeleiding ontstaat, kan gerichter zoeken naar materialen die het bij hogere temperaturen doen.
Natuurkundigen van de University of Illinois Urbana-Champaign hebben een nieuw stukje van die puzzel gevonden. In het metaal uraniumditelluride zagen ze een patroon van elektronenparen dat blijft bestaan als de supergeleiding zelf al is verdwenen. Hun onderzoek verscheen in het wetenschappelijke tijdschrift PNAS.
Elektronen die in paren bewegen
In een gewone stroomdraad botsen elektronen voortdurend tegen de atomen. Daarbij gaat energie verloren als warmte. In een supergeleider vormen de elektronen paren. Die paren bewegen als één geheel door het materiaal, zonder te botsen. Zo ontstaat stroom zonder weerstand.
Meestal zijn die paren gelijkmatig over het materiaal verdeeld. In 2007 voorspelden natuurkundige Eduardo Fradkin en collega's dat het ook anders kan. De paren kunnen een herhalend patroon vormen, met plekken waar meer en plekken waar minder paren zitten. Denk aan de ribbels die de zee in het zand van het strand achterlaat. Zo'n patroon heet een paardichtheidsgolf. Volgens de theorie kan zo'n golf ook blijven bestaan bij een temperatuur waarbij het materiaal al geen supergeleider meer is.
Wat de onderzoekers zagen
Uraniumditelluride wordt supergeleidend als het kouder is dan ongeveer min 271 graden Celsius, zo'n twee graden boven het absolute nulpunt. Het team, geleid door natuurkundigen Vidya Madhavan en Eduardo Fradkin, bekeek het oppervlak van het materiaal met een rastertunnelmicroscoop. Dat is een microscoop met een uiterst fijne naald die afzonderlijke atomen kan aftasten. Deze microscoop kan bovendien een magneetveld in elke gewenste richting op het materiaal zetten.
Eerdere metingen lieten op het oppervlak al een golfpatroon in de elektronen zien. Dat patroon reageerde alleen op magneetvelden op een manier die niet paste bij een gewone golf van elektrische lading. Met zuiverdere kristallen, gemaakt met een nieuwe kweekmethode, konden de onderzoekers nu stap voor stap meten hoe het patroon verandert bij andere temperaturen en magneetvelden.
Een deel van het patroon bleef zichtbaar tot ongeveer twee graden boven het punt waarop de supergeleiding verdwijnt. Hoe het op magneetvelden reageerde, kwam overeen met wat de theorie voorspelt voor een paardichtheidsgolf. Volgens de onderzoekers is dit de eerste directe aanwijzing dat zo'n patroon van paren los van de supergeleiding kan bestaan.
Fradkin vergelijkt het met de kat uit Alice in Wonderland: de kat verdwijnt, maar zijn grijns blijft in de lucht hangen. Zo blijft er een spoor van de supergeleiding achter nadat die zelf is verdwenen. Het wijst erop dat elektronen al paren kunnen vormen voordat het materiaal echt supergeleidend wordt.
Een bijzonder materiaal
Uraniumditelluride is ook om een andere reden interessant. Natuurkundigen denken dat het een zeldzaam type supergeleider is, waarbij de elektronen in een paar ook een kleine magnetische richting delen. Zulke materialen gelden als kandidaat voor quantumcomputers die veel minder gevoelig zijn voor storingen. Dat dit type supergeleiding hier speelt, is de heersende opvatting onder onderzoekers, maar wordt nog verder onderzocht.
Volgende stappen
De metingen gaan over het oppervlak van het materiaal. Of hetzelfde patroon ook binnenin zit, is de volgende vraag die de onderzoekers willen beantwoorden. Het spoor betekent ook niet dat het materiaal bij die hogere temperatuur stroom zonder weerstand geleidt: het gaat om de paren, niet om de supergeleiding zelf.
Zo'n patroon van paren lijkt in sommige metingen op gewone supergeleiding en in andere op een gewone ladingsgolf. Daarom combineerde het team de metingen met zorgvuldig theoretisch werk. Volgens de onderzoekers is een paardichtheidsgolf de meest voor de hand liggende verklaring voor wat ze zien. Het onderzoek is betaald door het Amerikaanse ministerie van Energie.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
Supergeleiders bij gewone temperaturen zouden veel veranderen: stroomnetten zonder verlies, goedkopere MRI-scanners, krachtigere magneten voor kernfusie en zuinigere computers en datacenters. Om daar te komen, moeten natuurkundigen eerst begrijpen hoe elektronen paren vormen en wanneer. Dit onderzoek laat zien dat dat paren al kan beginnen voordat de supergeleiding er is. Dat geeft een nieuwe aanwijzing waar je naar kunt zoeken.
Hier ligt ook een mooie rol voor AI. Het lastige van dit soort onderzoek is dat dezelfde meting op meerdere verklaringen kan passen. AI-modellen die grote aantallen metingen en theoretische modellen tegelijk kunnen vergelijken, kunnen helpen om sneller de juiste verklaring te vinden. Ze kunnen ook verbanden leggen met kennis uit andere vakgebieden, zoals de chemie van het kristalkweken. Zo kan de zoektocht naar betere supergeleiders de komende jaren flink versnellen.
