Wetenschappers zien voor het eerst hoe supergeleiding in cupraten ontstaat

Waarom hoge-temperatuursupergeleiding een raadsel blijft

Supergeleiders geleiden stroom zonder weerstand zodra ze onder een bepaalde temperatuur worden gekoeld. Dat principe wordt al gebruikt in MRI-scanners, deeltjesversnellers, energienetten en kwantumcomputers. Voor klassieke, extreem koude supergeleiders begrijpen natuurkundigen precies hoe dat werkt. Bij zogeheten hoge-temperatuursupergeleiders, materialen die al supergeleidend worden bij relatief hoge (maar nog altijd erg koude) temperaturen, ontbreekt die kennis grotendeels. Cupraten, materialen opgebouwd uit koper- en zuurstofvlakken, zijn de bekendste voorbeelden hiervan.

Een onderzoeksteam van Tsinghua University en de Chinese Academy of Sciences, onder leiding van natuurkundige Yayu Wang, boog zich over die vraag. Ze onderzochten Ca2CuO2Cl2 (afgekort CCOC), een cupraat met een relatief eenvoudige kristalstructuur en een schoon oppervlak. Dat maakt het geschikt voor precisiemetingen op atomaire schaal. Door calcium gedeeltelijk te vervangen door natrium brachten de onderzoekers stapsgewijs elektronentekorten aan in de koper-zuurstofvlakken van het materiaal. Zulke tekorten spelen een sleutelrol bij het ontstaan van supergeleiding, maar hoe dat precies gebeurt was nooit goed in beeld gebracht.

De Zhang-Rice-singlet eindelijk gefotografeerd

Met hoge-resolutie beeldvorming op atomair niveau volgden de onderzoekers hoe de elektronische structuur van het materiaal veranderde naarmate er meer elektronentekorten werden toegevoegd. Voor het eerst zagen ze daarbij rechtstreeks de zogeheten Zhang-Rice-singlet: een kwantumtoestand die ontstaat rond een enkel ontbrekend elektron en die al sinds de jaren tachtig als theoretisch concept bestaat. "De ruimtelijke elektronische structuur ervan was nooit eerder experimenteel waargenomen," aldus Wang. De waarneming bevestigt een idee dat decennialang alleen op papier bestond.

Nog opvallender was wat er gebeurde toen het team meer elektronentekorten aan het materiaal toevoegde. De losse Zhang-Rice-singlets bleven niet gewoon naast elkaar bestaan, maar smolten spontaan samen tot grotere bouwstenen die de onderzoekers 'elektronische moleculen' noemen. Deze structuren, ongeveer vier atoomafstanden groot en met een streepachtig patroon, verbonden zich vervolgens steeds verder met elkaar naarmate er meer tekorten bijkwamen. Uiteindelijk leidde dat tot de overgang naar de supergeleidende toestand.

Missing link tussen elektronentekort en supergeleiding

Volgens Wang vult het onderzoek de kloof tussen twee uitersten die eerder apart werden bestudeerd: het ongedoteerde basismateriaal enerzijds en de volledig supergeleidende toestand anderzijds. "Onze studie legt een ontbrekende experimentele schakel tussen de microscopische fysica van individuele gedoteerde gaten en macroscopische supergeleiding," aldus de hoofdonderzoeker.

Het team wil vervolgens uitzoeken onder welke exacte omstandigheden elektronen zich voor het eerst gaan koppelen tot zogeheten Cooperparen, de bouwstenen van supergeleiding. Ook willen de onderzoekers nagaan of het model van elektronische moleculen andere waarnemingen in cupraten kan verklaren, zoals resultaten uit transportmetingen en hoekopgeloste foto-emissiespectroscopie die tot nu toe los van elkaar werden geïnterpreteerd. Als dat lukt, kan dat helpen bij het ontwerpen van nieuwe materialen die al bij hogere temperaturen supergeleidend worden, een stap die technologieën als energietransport en medische beeldvorming goedkoper en efficiënter zou kunnen maken.