Anomale metaalfase: het vreemde tussenstadium tussen supergeleiding en isolatie
Stel je een materiaal voor dat, als je het steeds kouder maakt, zich niet netjes gedraagt zoals de natuurkunde voorspelt. Normaal gebeurt er bij extreme kou een van twee dingen: het materiaal wordt een supergeleider, waarin stroom zonder enige weerstand blijft lopen, of het wordt juist een isolator, waarin alle stroom stokt. De anomale metaalfase is het rare tussengeval: een dun laagje materiaal dat, hoe koud je het ook maakt, altijd een klein beetje weerstand blijft houden. Het is niet warm genoeg om normaal metaal te zijn, maar weigert ook om helemaal supergeleidend of helemaal isolerend te worden.
Een vergelijking: denk aan water dat je afkoelt en dat op een gegeven moment ijs zou moeten worden of, als het zout genoeg is, vloeibaar zou moeten blijven. De anomale metaalfase is alsof het water halverwege blijft steken in een soort glibberige, halfbevroren toestand die geen van beide is, en dat blijft doen tot je het absolute nulpunt nadert. Natuurkundigen vinden dit verschijnsel intrigerend omdat het in strijd lijkt met wat de gangbare theorie over supergeleiding voorspelt, vandaar het woord 'anomaal': afwijkend van wat verwacht wordt.
Wat is het precies?
Om de anomale metaalfase te begrijpen, moet je eerst weten wat supergeleiding is. In een gewoon metaal, zoals koper in een stroomdraad, botsen elektronen voortdurend tegen trillende atomen. Die botsingen veroorzaken weerstand: energie gaat verloren als warmte. In een supergeleider gebeurt er bij lage temperatuur iets bijzonders: elektronen vormen paren, de zogeheten Cooper-paren, genoemd naar natuurkundige Leon Cooper. Deze paren bewegen als het ware synchroon door het materiaal en ondervinden geen weerstand meer.
Onderzoekers bestuderen dit verschijnsel vaak in extreem dunne films, laagjes materiaal van slechts een paar atomen dik. In zulke tweedimensionale systemen kun je de overgang tussen supergeleiding en isolatie heel precies sturen, bijvoorbeeld door een magneetveld aan te leggen of door de dikte van het laagje te veranderen. Deze overgang heet de supergeleider-isolator-overgang. Volgens de klassieke theorie zou een materiaal bij het naderen van het absolute nulpunt (min 273,15 graden Celsius) altijd naar een van de twee uitersten moeten bewegen: ofwel de weerstand daalt naar nul (supergeleiding), ofwel de weerstand schiet omhoog naar oneindig (isolatie).
In de jaren tachtig en negentig van de vorige eeuw merkten onderzoekers echter iets vreemds op. In sommige dunne films bleef de elektrische weerstand, ook bij extreem lage temperaturen, hangen op een vaste, meetbare waarde. Die waarde lag vaak in de buurt van een bijzondere natuurconstante die de kwantumweerstand heet: h gedeeld door vier keer e in het kwadraat (h/4e²), ongeveer 6,45 kilo-ohm. Hierin staat h voor de constante van Planck, de basiseenheid van de kwantummechanica, en e voor de lading van een elektron; de factor vier komt doordat Cooper-paren een lading van 2e dragen. Dat de weerstand zich rond deze specifieke kwantumwaarde nestelt, is een sterke aanwijzing dat hier kwantummechanische effecten de dienst uitmaken, niet gewone thermische verstoring.
Wat wil men ermee bereiken?
Onderzoek naar de anomale metaalfase draait niet om een concreet product of apparaat, maar om iets fundamentelers: het beter begrijpen van hoe materie zich gedraagt op het randje tussen orde en wanorde. Natuurkundigen willen weten of hun bestaande theorieën over supergeleiding en kwantumfaseovergangen (overgangen tussen materietoestanden die niet door temperatuur maar door kwantumeffecten worden aangedreven) wel compleet zijn. Als een materiaal zich gedraagt op een manier die de theorie niet voorspelt, is dat een teken dat er iets ontbreekt in ons begrip van de natuur.
Er is ook een praktischer motivatie. Supergeleiders spelen een sleutelrol in technologieën zoals MRI-scanners, deeltjesversnellers en, steeds belangrijker, kwantumcomputers, waarvan sommige bouwstenen (qubits) letterlijk gemaakt zijn van supergeleidend materiaal. Om betrouwbare supergeleidende schakelingen te bouwen, moet je precies weten waarom en wanneer supergeleiding instort of juist standhoudt. De anomale metaalfase laat zien dat dat instortproces subtieler is dan gedacht, wat relevant is voor het ontwerpen van stabielere kwantumchips.
Daarnaast hopen theoretici dat het verschijnsel een venster biedt op zogeheten 'exotische' kwantumtoestanden van materie, toestanden waarin deeltjes zich collectief anders gedragen dan de som der delen. Dat sluit aan bij een breder onderzoeksveld naar nieuwe materiaalfasen, zoals topologische isolatoren en kwantumspin-vloeistoffen, die op termijn nieuwe vormen van elektronica of kwantumtechnologie mogelijk kunnen maken.
Voorbeelden uit de praktijk
De eerste duidelijke aanwijzingen voor een anomale metaalfase kwamen uit experimenten met ultradunne films van bismut en andere metalen aan de University of Minnesota, eind jaren tachtig. Onderzoekers zoals Allen Goldman en Dorothy Haviland maten daar weerstand die bij afkoeling niet naar nul zakte, wat destijds als een raadselachtig resultaat werd gezien.
Later verschoof veel onderzoek naar amorf indiumoxide, een wanordelijk (niet-kristallijn) materiaal dat zich uitstekend leent voor dit soort metingen omdat de mate van wanorde precies te regelen is. De groep van natuurkundige Aharon Kapitulnik aan Stanford University heeft hier uitgebreid onderzoek naar gedaan en liet zien dat de anomale weerstand ook onder een aangelegd magneetveld bleef bestaan, wat de link met kwantumeffecten versterkte.
Ook dunne films van titaniumnitride zijn veelvuldig bestudeerd, onder meer door onderzoeksgroepen verbonden aan het Institut Néel in Grenoble, Frankrijk. Titaniumnitride is aantrekkelijk voor dit soort experimenten omdat de mate van wanorde in het materiaal nauwkeurig kan worden ingesteld tijdens de fabricage, waardoor onderzoekers de overgang tussen supergeleiding, anomaal metaalgedrag en isolatie stap voor stap kunnen doorlopen.
Een recentere ontwikkeling is de ontdekking van vergelijkbaar afwijkend geleidingsgedrag in gestapeld grafeen dat onder een 'magische hoek' is gedraaid, het zogeheten magisch-hoek gedraaide bilaag grafeen. Dit materiaal, dat sinds 2018 furore maakt in de natuurkunde omdat het bij lage temperatuur zelf supergeleidend kan worden, vertoont in bepaalde omstandigheden eveneens een weerstand die blijft hangen in plaats van naar nul te zakken. Dit wordt gezien als een aanwijzing dat de anomale metaalfase geen eigenaardigheid van één specifiek materiaal is, maar mogelijk een universeler kwantumverschijnsel.
Hoe ver is de techniek?
Het is belangrijk om te benadrukken dat de anomale metaalfase geen technologie is die 'af' moet zijn, zoals een chip of een medicijn; het is een natuurkundig verschijnsel dat nog niet volledig verklaard is. Het experimentele bewijs dat het bestaat, is inmiddels stevig: het is in tientallen onafhankelijke experimenten, met verschillende materialen en in verschillende laboratoria wereldwijd, waargenomen.
Waar geen consensus over bestaat, is de onderliggende verklaring. Er zijn meerdere concurrerende theorieën. Sommige onderzoekers denken dat de Cooper-paren zich als een soort vloeistof van ongeladen, maar kwantummechanisch verstrengelde deeltjes gedragen (een zogeheten Bose-metaal). Anderen wijten het gedrag aan wervelingen in het supergeleidende materiaal, kleine magnetische werveltjes (vortices) die rondtollen en zo voor een restweerstand zorgen. Weer anderen zoeken de verklaring in extreme, plaatselijke variaties in de mate van wanorde binnen het materiaal, de zogeheten kwantum-Griffiths-effecten. Geen van deze theorieën verklaart alle experimentele waarnemingen volledig, en het is mogelijk dat verschillende materialen om verschillende redenen een anomale metaalfase vertonen.
Het onderzoek gaat gestaag door, maar in een rustig tempo dat past bij fundamenteel vastestoffysica-onderzoek: er zijn geen jaarlijkse 'doorbraken' zoals in snel bewegende technologievelden, eerder een geleidelijke opeenstapeling van metingen en theoretische modellen over decennia. Een belangrijk obstakel is dat de metingen extreem lage temperaturen vereisen, vaak in de buurt van een tiende graad boven het absolute nulpunt, wat gespecialiseerde koelapparatuur (verdunningskoelers) vergt en de experimenten kostbaar en tijdrovend maakt.
Wie werken eraan?
Onderzoek naar de anomale metaalfase is verspreid over een beperkt aantal gespecialiseerde vastestoffysica-laboratoria wereldwijd. In de Verenigde Staten zijn de University of Minnesota, waar het verschijnsel voor het eerst werd waargenomen, en Stanford University, met het werk van de groep rond Aharon Kapitulnik, belangrijke centra geweest. In Frankrijk speelt het Institut Néel in Grenoble, onderdeel van het Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), een prominente rol, evenals onderzoeksgroepen verbonden aan Université Paris-Saclay.
Ook in Israël, Rusland en Japan zijn onderzoeksgroepen actief die zich richten op wanordelijke supergeleiders en kwantumfaseovergangen. Het onderzoek naar magisch-hoek gedraaid grafeen, waarin vergelijkbaar gedrag is waargenomen, wordt onder meer getrokken door groepen aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT). Theoretisch werk om het verschijnsel te verklaren komt van natuurkundigen verspreid over de Verenigde Staten en Europa die zich specialiseren in kwantum-vele-deeltjessystemen en ongeordende materialen.
Het veld is relatief klein vergeleken met bijvoorbeeld onderzoek naar kamertemperatuur-supergeleiders of kwantumcomputerhardware, en trekt vooral academische, door de overheid gefinancierde onderzoeksgroepen aan universiteiten en nationale laboratoria, eerder dan bedrijven. Dat past bij het fundamentele, verkennende karakter van dit onderzoek.