Wanorde, niet elektronen, blijkt sleutel tot bijzondere supergeleider

Supergeleiders geleiden stroom zonder enige weerstand, mits ze koud genoeg zijn. Voor de zogeheten hoge-temperatuursupergeleiding geldt: hoe kouder of warmer je het materiaal maakt, en hoe je de elektronen erin verandert, hoe sterker of zwakker het effect wordt. Die schommeling volgt een curve die onderzoekers de 'supergeleidende dome' noemen, een bergvorm die eerst omhooggaat en daarna weer afzakt. Natuurkundigen van Cornell University hebben nu ontdekt dat bij het materiaal ijzerselenide (FeSe) niet het aantal elektronen die dome bepaalt, maar de mate van wanorde in het kristal.

Het onderzoek, geleid door hoogleraar Kyle Shen en uitgevoerd door postdoc Paul Malinowski, verscheen op 20 augustus in het wetenschappelijke tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). "We zagen dat die dome wordt aangestuurd door heel andere factoren dan normaal", zegt Malinowski. "Niet door hoeveel elektronen je toevoegt, maar door de obstakels die die elektronen tegenkomen: hoe perfect of imperfect is het kristalrooster?"

Een schonere manier om te meten

Jarenlang liep onderzoek naar ijzerselenide vast, omdat de gangbare methode om elektronen toe te voegen niet werkte op dit materiaal. Normaal moet je voor elke nieuwe hoeveelheid elektronen een volledig nieuw kristal laten groeien. Dat is niet alleen omslachtig, het verandert ook ongewild andere eigenschappen van het materiaal, waardoor vergelijken lastig wordt.

Malinowski en collega's bedachten een alternatief. Ze bouwden dunne laagjes van het materiaal met een techniek die moleculaire bundelepitaxie heet, waarbij atomen laag voor laag op een oppervlak worden neergelegd. Vervolgens verdampten ze het alkalimetaal cesium op het oppervlak van het kristal, in een extreem schone, luchtledige omgeving. Dat proces voegt geleidelijk elektronen toe zonder dat er een nieuw kristal nodig is. Tegelijkertijd maten ze de elektrische geleiding en gebruikten ze hoekopgeloste foto-emissiespectroscopie (ARPES), een techniek die laat zien hoe elektronen zich in het materiaal gedragen. Al die stappen gebeurden zonder het monster ooit uit het vacuüm te halen. "Dat konden we allemaal in één samenhangend proces doen, en dat bleek essentieel om te ontrafelen wat er echt gebeurt", aldus Malinowski.

Wanorde als onverwachte dirigent

Met deze schonere methode zag het team dat fysieke wanorde in het kristal, kleine afwijkingen zoals een atoom dat net niet op zijn plek zit, de supergeleidende dome stuurt. Deze vorm van defectchemie is in een perfect kristal afwezig, maar in de praktijk altijd aanwezig, en neemt bovendien toe zodra je elektronen toevoegt. Bij andere bekende hoge-temperatuursupergeleiders, zoals de cupraten, geldt juist het omgekeerde: daar is het aantal elektronen de hoofdrolspeler en speelt wanorde een bijrol. "Dat was zo tegenstrijdig met wat we van andere supergeleiders weten, dat het tijd kostte om onze eigen resultaten te geloven", zegt Shen.

De bevinding suggereert dat ijzerselenide fundamenteel anders in elkaar zit dan andere onconventionele supergeleiders, en kan helpen om theorieën over het microscopische mechanisme achter supergeleiding aan te scherpen. Shen en zijn team werken nu samen met theoretici om te begrijpen waarom dit materiaal zo afwijkt, en doen aanvullende experimenten waarin alleen de wanorde wordt aangepast, los van het aantal elektronen.