Onderzoekers van de Universiteit Leiden hebben samen met onder andere de TU Delft en SRON een nieuwe vorm van ‘quantumvloeistof’ ontdekt. Geavanceerde kennis van supergeleidende materialen, onder andere opgedaan met astronomisch onderzoek en het ontwikkelen van quantumcomputers, was hierbij doorslaggevend. Maar alhoewel de nieuwe quantumvloeistof is aangetoond, is deze nog wel volledig onverklaarbaar. Sterker nog: hij zet een aantal standaardtheorieën op zijn kop. Op 29 oktober staat de publicatie in Science.
Vrijwel alle materialen weerstaan elektrische stromen, zelfs koper, waar ons elektriciteitsnet uit bestaat. En dat is lang niet altijd slecht: denk bijvoorbeeld aan de ouderwetse gloeilampen: hun gloed, en hitte, ontstond door de hoge elektrische weerstand van wolfraam, het kleine draadje in het midden. Maar er is een uitzondering, een speciale klasse van materialen die elektriciteit transporteert zonder enige weerstand, maar alleen als ze worden afgekoeld tot onder bepaalde (extreem lage) temperaturen. Die materialen worden supergeleiders genoemd, en hoe ze werken is een van de blijvende mysteries van de natuurkunde.
Natuurlijk zijn er wel theorieën die verklaren waarom sommige materialen supergeleidend worden: eenmaal afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt, paren de elektronen in het materiaal zich tot ‘Cooperparen’. Deze Cooperparen vormen op dat moment een zogenaamde quantumvloeistof die moeiteloos, en dus geheel zonder weerstand, door het kristal stroomt. Die vorming van Cooperparen én quantumvloeistof zou gelijktijdig plaatsvinden.
Die veronderstelling blijkt niet helemaal gegrond te zijn. Koen Bastiaans, inmiddels Postdoc aan de TU Delft, heeft met zijn team ontdekt dat Cooperparen nog steeds kunnen bestaan boven de supergeleidende overgangstemperatuur, waarbij ze een nieuwe mysterieuze quantumvloeistoftoestand vormen die niet meer supergeleidend is. ‘Dit betekent dat de vorming van Cooperparen niet hetzelfde proces is als het condenseren zelf’, zegt Bastiaans, ‘Dit heeft voor mij de manier waarop ik over supergeleiding denk volledig veranderd.’
Het onderzoek van Koen Bastiaans gebeurde in nauwe samenwerking met de TU Delft en SRON en richtte zich op de supergeleider TiN (titaniumnitride). Voor het detecteren van de Cooperparen werd een techniek gepionierd die het mogelijk maakt te ‘luisteren’ naar de elektronen in de supergeleiders. Als dit enkelvoudige elektronen zijn, is het ruisprofiel anders dan wanneer de elektronen Cooperparen vormen. ‘Het is een beetje alsof je luistert naar regendruppels die op het dak vallen’, legt Bastiaans uit, ‘als de druppels dikker worden, verandert het geluid van de regen.’
De onderzoekers maten het geluid in supergeleidend TiN, waaruit duidelijk bleek dat het materiaal bij lage temperatuur uit Cooperparen bestaat. Tot zover de verwachting. Vervolgens verhoogden ze de temperatuur langzaam, tot voorbij 2,95 kelvin (2,95 graden boven het absolute nulpunt, ofwel -273 graden Celsius). Op dat punt verdwijnt de supergeleiding in TiN, zoals verwacht, maar als grote verrassing bleken de Cooperparen te blijven bestaan. ‘Dit is de ontdekking’, zegt Bastiaans. ‘Cooperparen blijven bestaan tot de temperatuur zo'n 7,2 kelvin bereikt. Je kunt dus Cooperparen hebben zonder condensatie en supergeleiding. Er waren wel hints geweest dat dit mogelijk was, maar nooit onomstotelijk bewijs. De Cooperparen die we hebben gevonden vormen een nieuw soort quantumvloeistof.’
Supergeleidende materialen worden gebruikt om zeer geavanceerde detectieapparatuur te maken, waarmee bijvoorbeeld de enkele fotonen of minieme hoeveelheden infraroodstraling van verre hemellichamen gemeten kan worden. Om deze detectiemethodes verder te verbeteren, is meer kennis van de achterliggende fysica nodig. Pieter de Visser, wetenschapper bij EWI en SRON, en David Thoen, cleanroom engineer bij EWI, hielpen Bastiaans door de titaniumnitride monsters te leveren. De Visser: 'We laten zien dat technologieontwikkeling en fundamentele wetenschap hand in hand gaan. Terwijl wij de wetenschap achter een observatietechniek voor de astronomie proberen te begrijpen, ontrafelen we samen met andere onderzoekers fundamenteel nieuwe fysica.'
Wil je meer lezen over de toepassingen van supergeleidende materialen? Lees dan ons artikel over DESHIMA: een onderzoeksinitiatief waarbij wetenschappers naar de extreme Atacama-woestijn in Chili reisden, om op zoek te gaan naar de vage sporen van het oudste licht in het heelal.