Juiste vervorming wekt in een chirale supergeleider elektrische stroom op

Wereldwijd wordt gezocht naar zogenaamde chirale supergeleiders, omdat die ideaal lijken voor het maken van quantum-computers. Of een bepaald materiaal een chirale supergeleider is, kon tot nu toe niet eenvoudig en eenduidig bepaald worden. Theoretisch natuurkundigen van de Universiteit Utrecht en collega’s uit Stockholm hebben nu ontdekt dat bij chirale supergeleiders een uniek effect optreedt, dat goed te meten moet zijn. Naast dat het effect theoretisch interessant is, maakt de ontdekking ervan dus ook de zoektocht naar chirale supergeleider een stuk eenvoudiger. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in Physical Review Letters.

“Wat wij laten zien is dat je in dit type supergeleider een elektrische stroom kunt opwekken alleen maar door het op de juiste manier te vervormen. Je hebt dus geen elektrische spanning of een magnetisch veld nodig. Het is een soort Origami-elektronica”, licht onderzoeksleider prof. Cristiane Morais Smith van de Universiteit Utrecht toe. “Als je het materiaal op de juiste manier vervormt gaat een elektrische stroom lopen, buig je het terug, dan stopt de stroom.”

Majorana-deeltjes

Het verschil tussen een ‘gewone’ en een chirale supergeleider is dat de elektronen zich niet alleen in paren door het materiaal bewegen, maar dat deze paren bovendien om elkaar heen roteren. Dat levert een interessant effect op: aan de uiteinden van draden van chirale supergeleiders kunnen Majorana-deeltjes ontstaan. Van deze deeltjes wordt verwacht dat ze ideale quantum-bits voor een quantum-computer zijn. Het bestaan van Majorana-deeltjes werd al in 1937 voorspeld door de Italiaanse theoretisch natuurkundige Ettore Majorana. Pas onlangs is het bestaan ervan voor het eerst experimenteel waargenomen, door natuurkundigen van de TU Eindhoven en de TU Delft.

Zweeftrein

In een gewone supergeleider kan een elektrische stroom worden opgewekt door een magneet in de buurt te brengen. Dit heet het Meissner effect. Deze stroom zorgt ervoor dat in de supergeleider een tegengesteld magnetisch veld wordt opgewekt om het veld van de magneet teniet te doen. Eén van de meest aansprekende toepassingen van het Meissner effect is de Maglev trein in China en Japan, die door te zweven een snelheid van 600 kilometer per uur haalt.

Geometrisch Meissner effect

De natuurkundigen uit Utrecht en Stockholm tonen nu theoretisch aan dat in een hele dunne (tweedimensionale) laag van een chirale supergeleider een vergelijkbaar effect optreedt als zo’n laag wordt gekromd, zoals bijvoorbeeld in de afbeeldingen. Door zo’n kromming blijkt in de supergeleider een magnetisch veld te ontstaan. Dit betekent dat er ook een elektrische stroom loopt en dat sprake is van een geometrische versie van het Meissner effect.

Chirale elektronenparen

“In een tweedimensionale chirale supergeleider roteren alle elektronenparen in hetzelfde vlak. Door een kromming raakt hun baan verstoord. Om het effect van die verstoring teniet te doen, ontstaat er een magnetisch veld”, legt de mede op dit onderzoek gepromoveerde dr. Anton Quelle uit. “De algemene regel bij dit geometrische Meissner effect is dat in tweedimensionale chirale supergeleiders kromming plus magneetveld nul moet zijn. Dit is vergelijkbaar met het gewone Meissner effect. Hierbij is het interne magnetisch veld dat ontstaat even groot en tegengesteld aan het externe magnetisch veld, zodat het veld rondom de supergeleider wordt opgeheven.”

‘Smoking gun’

Het (gewone) Meissner effect zorgt ervoor dat bij een gewone supergeleider nooit een magnetisch veld loodrecht op het oppervlak ontstaat. Dus als loodrecht op het oppervlak wél een magnetisch veld aanwezig is, dan is dat een ‘smoking gun’ bewijs dat het gaat om een chirale supergeleider, legt Morais Smith uit. Hoewel dit magnetische veld heel klein is, kan het goed gemeten worden met een zogenaamde SQUID, een sensor voor zeer zwakke magnetische velden.

Samenwerking

Dit onderzoek is een samenwerking tussen prof. Cristiane Morais Smith van de Universiteit Utrecht en prof. Thors Hans Hansson van Nordita (Nordic Institute for Physics) en hun promovendi Anton Quelle (in september cum laude gepromoveerd aan de Universiteit Utrecht) en Thomas Kvorning (verbonden aan Nordita).

Publicatie

‘Proposed Spontaneous Generation of Magnetic Fields by Curved Layers of a Chiral Superconductor’
T. Kvorning, T. H. Hansson, A. Quelle*, C. Morais Smith*
*Verbonden aan de Universiteit Utrecht
Physical Review Letters, https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.217002

Dit onderzoek is mede-gefinancierd door het Zwaartekracht programma Delta ‘Institute for Theoretical Physics’

Lees/kijk ook:

• 'Physics à la Picasso': Christiane Morais Smith over haar onderzoek

• Topologische materialen veelbelovend voor quantumcomputer - publicatie in Physical Review Letters

• Theoretisch natuurkundigen ontwerpen ‘heilige graal’ van de materiaalkunde - publicatie in Nature Communications

• Theorieën hoge-temperatuur supergeleiding miskennen wellicht de rol van zuurstof - publicatie in Nature Communications

• Onderzoekschool Theoretische Natuurkunde “excellent en van grote toegevoegde waarde”