Natuurkundigen vinden elektronenparen die supergeleiding overleven

Supergeleiding lijkt een alles-of-niets-verschijnsel: een metaal geleidt stroom zonder weerstand, of het doet dat niet. Maar natuurkundigen van de University of Illinois Urbana-Champaign laten zien dat de werkelijkheid genuanceerder is. In het metaal uranium ditelluride ontdekten ze dat de bouwstenen van supergeleiding, zogeheten Cooperparen, zich in een golfpatroon kunnen rangschikken dat blijft bestaan boven de temperatuur waarbij supergeleiding normaal verdwijnt. Het resultaat bevestigt een voorspelling uit 2007 die tot nu toe nooit overtuigend was waargenomen.

Elektronen die elkaar vasthouden

Supergeleiding ontstaat wanneer vrije elektronen in een metaal zich bij extreme koude bundelen in een gezamenlijke kwantumtoestand. Dat is op zich vreemd, want elektronen behoren tot een deeltjesklasse die volgens de kwantummechanica niet dezelfde toestand mag delen. In 1957 ontdekten de natuurkundigen John Bardeen, Leon Cooper en Robert Schrieffer hoe dat toch kan: elektronen vormen duo's, Cooperparen genoemd, die wél samen kunnen condenseren. Deze klassieke verklaring, de BCS-theorie, werkte goed tot 1986, toen de eerste 'onconventionele' supergeleiders werden ontdekt waarvan de structuur niet aan de aannames van die theorie voldeed.

Een golf van paren boven de kritieke grens

Veel onconventionele supergeleiders tonen naast supergeleiding ook andere, gelijktijdige elektronenpatronen. Een bekend voorbeeld is ladingsordening, waarbij elektrische lading zich periodiek verdicht en verdunt door het materiaal. In 2007 opperde natuurkundige Eduardo Fradkin dat Cooperparen zich op een vergelijkbare manier kunnen ordenen, in zogeheten pair density waves. Zijn meest opmerkelijke voorspelling: deze golfpatronen van paren zouden kunnen bestaan boven de kritieke temperatuur, dus wanneer het metaal helemaal niet supergeleidend is. "Het is een vreemde toestand, en al waren er experimentele aanwijzingen, een directe bevestiging was er nooit," aldus Fradkin.

Uranium ditelluride als onverwachte sleutel

Tot 2019 gold uranium ditelluride als een doodgewoon metaal, totdat onderzoekers er supergeleiding onder 2 kelvin in ontdekten. Al snel vermoedden fysici dat het om een zogeheten triplet-paarsupergeleider gaat, een zeldzame variant waarvan tot nu toe alleen superfluïde helium-3 een bevestigd voorbeeld was – een vorm van superfluïditeit waarvoor de Illinois-natuurkundige Anthony Leggett ooit de Nobelprijs kreeg. Het team van Vidya Madhavan zag met een scanning tunneling microscoop ladingsgolven in het materiaal, maar die gingen vreemd genoeg kapot onder invloed van een magneetveld. Omdat gewone ladingsgolven daar niet gevoelig voor zouden mogen zijn, vermoedden de onderzoekers dat er onderliggend een pair density wave aan het werk was.

Om dat te bevestigen waren extreem zuivere kristallen nodig, gegroeid met een nieuwe smeltvloeimethode, en een speciale microscoop die magneetvelden uit elke richting kan aanleggen. Met die combinatie zagen de onderzoekers signalen die precies reageerden op temperatuur en magneetveld zoals de theorie van pair density waves voorspelt – inclusief het voortbestaan van de paren boven de temperatuur waarop supergeleiding verdwijnt.