11 december 2014

Verrassende uitkomst van nieuwe experimentele aanpak

Theorieën hoge-temperatuur supergeleiding miskennen wellicht de rol van zuurstof

Ruim 25 jaar na de ontdekking van hoge-temperatuur supergeleiding is het nog steeds een groot mysterie welk mechanisme hieraan ten grondslag ligt. Theoretisch natuurkundigen van de Universiteit Utrecht en hun experimentele collega’s uit Duitsland denken dat het antwoord schuilt in het kristalrooster. Ze concluderen dit op basis van onderzoek waarvoor ze een hele nieuwe experimentele aanpak gebruikten. De resultaten hiervan zijn gepubliceerd in Nature Communications van deze week.

Morais Smith

Hoge-temperatuur supergeleiding treedt op in kristallen van koper- en zuurstofatomen gecombineerd met bepaalde chemische elementen, zoals kwik. “In vrijwel alle theoretische modellen over hoge-temperatuur supergeleiding wordt echter alleen de positie van de koperatomen in het kristal-rooster meegenomen. Uit ons onderzoek blijkt dat mogelijk juist ook de positie van de zuurstof-atomen belangrijk is om te begrijpen waarom deze materialen onder een bepaalde temperatuur supergeleidend worden”, licht prof.dr. Cristiane Morais Smith van de Universiteit Utrecht toe.

Mysterie

In een supergeleider vormen zich onder een kritische temperatuur paren van elektronen, zogenaamde Cooperparen, die wrijvingsloos door het kristal kunnen bewegen. Voor een hoge-temperatuur supergeleider is het echter nog steeds een mysterie hoe deze paren worden gevormd en waarom zij wrijvingsloos kunnen bewegen. In een hoge-temperatuur supergeleider gelden namelijk niet de ‘normale’ natuurwetten, maar heerst de quantummechanica. Hierdoor is experimenteel onderzoek bijzonder moeilijk en is zelfs een supercomputer niet in staat om theoretische modellen door te rekenen.

Quantumgedrag gesimuleerd

Daarom hebben de onderzoekers een experiment ontworpen op basis van een zogenaamde quantum simulator, een concept dat in 1982 door Nobelprijswinnaar Richard Feynman is geïntroduceerd. In de quantum simulator worden ultrakoude atomen, die de Cooperparen simuleren, opgesloten in een optisch ‘kristalrooster’ gemaakt door laserbundels. Voor de atomen is dit rooster een soort berglandschap, waarin de hoogte van de bergen en de dalen kan worden gevarieerd. Bergen en dalen staan voor een bepaald energieniveau. De atomen bevinden zich in de dalen, maar kunnen dankzij quantumeffecten door de bergen ’tunnelen’ naar een naastgelegen dal. 
 

Morais Smith
De blauwe lijn laat de situatie zien waarbij de atomen dankzij quantumeffecten kunnen ‘tunnelen’ naar een naastgelegen dal. De rode lijn laat de situatie zien voor het gesimuleerde kristalrooster van zowel koper als zuurstof.

Onverwacht effect

In een gesimuleerd kristalrooster van zowel koper als zuurstof, varieert het diepteverschil tussen de naburige dalen. Hierbij vonden de onderzoekers een onverwacht effect. Als het energieverschil een kritische waarde overschrijdt, gaan alle atomen in de diepste dalen zitten. Vertaald naar een hoge-temperatuur supergeleider is dit het omslagpunt van supergeleider naar isolator.

Inspiratie

“Het bijzondere van dit omslagpunt is dat dit niet afhangt van het absolute energieniveau maar van het energieverschil. Dit is verrassend. Hieruit blijkt dat kleine veranderingen in het kristalrooster belangrijke effecten kunnen hebben op de beweeglijkheid van atomen en elektronen. Daarom denken wij dat de zuurstofatomen ook meegenomen moeten worden in de modellen. Daarnaast hopen wij dat onze simulaties een bron van inspiratie vormen voor andere onderzoekers, zodat wij eindelijk het mysterie van hoge-temperatuur supergeleiding gaan begrijpen”, aldus Morais Smith.

Publicatie

Controlling coherence via tuning of the population imbalance in a bipartite optical lattice
M. Di Liberto*, T. Comparin*, T. Kock, M. Őlschläger, A. Hemmerich& C. Morais Smith*
Nature Communications, 11 december 2014

*Centre for Extreme Matter and Emergent Phenomena, Institute for Theoretical Physics, Universiteit Utrecht

Dit onderzoek is onder meer gefinancierd door FOM

Complex Systems Studies

Dit onderzoek maakt deel uit van Complex Systems Studies van de Universiteit Utrecht. Hierin wordt multidisciplinair onderzoek verricht naar complexe systemen met een maatschappelijke relevantie.