Bijzonder supergeleidend materiaal UTe2 blijkt een soort geheugen te hebben

Natuurkundigen hebben in het laboratorium een opmerkelijke eigenschap blootgelegd bij het materiaal uraniumditelluride, beter bekend als UTe2. Dit zeldzame kristal is een kandidaat voor wat onderzoekers een 'p-wave-supergeleider' noemen: een type spin-triplet-supergeleiding dat zich anders gedraagt dan de meeste bekende supergeleidende materialen. Wat de onderzoekers nu vonden is dat het materiaal kan 'onthouden' hoe er eerder stroom doorheen is gestuurd, en dat die herinnering met elektrische pulsjes weer aan of uit te zetten is.

Twee toestanden, één materiaal

UTe2 kan onder de juiste omstandigheden in meerdere supergeleidende fasen verkeren. Bij een bepaalde sterkte van een extern magneetveld balanceert het materiaal precies tussen twee van die fasen, een gebied dat de onderzoekers SC1.5 noemen. Juist in die overgangszone deden ze een onverwachte ontdekking: door het materiaal kortstondig met een stroompuls te 'schoppen' en de stroom daarna abrupt naar nul te brengen, verandert de maximale stroom die het materiaal zonder weerstand kan geleiden, de zogeheten kritische stroomdichtheid. Die verandering blijft daarna lang bestaan, ook nadat de puls allang voorbij is. Pas wanneer de onderzoekers de stroom heel geleidelijk weer laten wegvloeien, keert het materiaal terug naar zijn oorspronkelijke toestand.

De rol van vortices

De verklaring ligt in de manier waarop magnetische structuren zich rangschikken in het materiaal. In een supergeleider onder een magneetveld dringen kleine wervelingen van magnetisch veld het materiaal binnen, vortices genoemd. Normaal ordenen die vortices zich in een net, regelmatig rooster. Door de plotselinge stroompuls raakt dat rooster in de war en ontstaat een wanordelijke, 'glazige' verdeling van vortices die zich steviger vastzetten in het kristal. Die extra vastzitting zorgt voor de hogere kritische stroomdichtheid. Een langzame, geleidelijke stroomverandering geeft de vortices juist de tijd om weer netjes op hun plek te schuiven, waarmee het geheugen wordt gewist.

Betekenis voor toekomstige chips

Wat deze ontdekking bijzonder maakt, is dat het geheugeneffect uit het materiaal zelf komt. Eerdere pogingen om supergeleidend geheugen te bouwen, leunden vrijwel altijd op kunstmatige structuren, zoals dunne lagen van magnetisch materiaal naast een supergeleider. UTe2 heeft die hulpconstructie niet nodig: de eigenschap zit ingebakken in de supergeleidende toestand zelf. Dat maakt het interessant voor onderzoekers die werken aan supergeleidende computerchips, die in theorie veel energiezuiniger kunnen rekenen dan de chips van nu. Voor praktische toepassing is nog veel werk nodig; de experimenten vonden plaats bij extreem lage temperaturen, ruim onder een graad boven het absolute nulpunt, en met sterke magneetvelden. Toch laat het onderzoek zien dat de complexe, meerfasige supergeleiding van UTe2 fysische verrassingen blijft opleveren die de kennis over kwantummaterialen verder brengen.