Eerste aanwijzing voor natuurkunde ver buiten gebruikelijke model metalen

ENGINEERINGNET.BE - Voor bijna alle supergeleiders geldt dat ze, bij verwarming tot boven hun kritieke temperatuur, veranderen in een ‘gewoon’ metaal. De quantumverstrengeling die het collectieve gedrag van de elektronen veroorzaakt vervaagt, en de elektronen gaan zich gedragen als een gewoon ‘gas’ van geladen deeltjes.

Maar één familie van materialen, de cupraten, lijkt zich hier niet naar te willen schikken. Cupraten zijn bijzonder omdat hun kritieke temperatuur beduidend hoger is dan die van andere supergeleiders.

Ook zijn hun meetbare eigenschappen in de ‘metaalfase’ al bijzonder: elektronen in deze materialen vormen een nieuw soort structuur, anders dan in gewone metalen. Daarom is aan deze groep metalen de term ‘vreemd metaal’ toegekend.

Onderzoekers van de Radboud Universiteit, Universiteit Leiden en Universiteit van Amsterdam gingen daarom aan de slag met zo'n 'vreemd metaal': Bi2Sr2CuO6, ofwel Bi2201.

Dit materiaal wordt pas zo’n 35 graden boven het absolute nulpunt supergeleidend. Daarna kan supergeleiding met een magneetveld onderdrukt worden.

De onderzoekers konden zo de elektrische eigenschappen van de vreemd-metaaltoestand van Bi2201 bestuderen bij diverse lage temperaturen en magnetische veldsterktes.

Er is nu aangetoond dat in deze materialen een nieuwe fase bestaat waar de weerstand lineair van temperatuur en veldsterkte afhangt: als die twee keer zo groot worden, neemt de weerstand slechts met een factor twee toe.

Er zijn twee theorieën die dit bijzondere gedrag kunnen verklaren. De eerste theorie gaat ervan uit dat het lineaire gedrag alleen in de buurt van heel specifieke waarden voor temperatuur en magneetveld voorkomt. Die theorie is met de nieuwe metingen onder druk komen te staan.

De tweede theorie is die van extreme quantumverstrengeling die beschreven wordt met de snaartheoretische benadering. Binnen die theorie is het wél mogelijk om over een groot gebied van parameters het lineaire gedrag waar te nemen.

De analyse van het onderzoeksteam wijst erop dat er een niet eerder waargenomen mechanisme is waardoor elektronen energie verliezen. Dit verlies vindt plaats op een extreem korte tijdschaal die gerelateerd is aan een fundamentele natuurconstante uit de quantummechanica, de constante van Planck.

Volgens de theorie is dat de kortst mogelijke tijd waarbinnen een quantumsysteem energie kan verliezen – iets wat bovendien alleen mogelijk is als het systeem maximaal is verstrengeld. Deze vingerafdruk van quantumzwaartekracht-gedrag zou een eerste aanwijzing zijn van natuurkunde ver buiten het gebruikelijke model van metalen.

Bij de foto boven: Artist’s impression: de beschrijving van elektronen in vreemde metalen (de ronde deeltjes) maakt gebruik van precies dezelfde wiskunde als de beschrijving van de ruimtetijd in de snaartheorie (het gekromde oppervlak).