Rebelse supergeleider maakt ‘onmogelijke vriend’

Een verbinding van uranium, kobalt en germanium (UCoGe), zo beschrijven zij in een publicatie, die op 10 augustus 2007 verschijnt in het tijdschrift Physical Review Letters. UvA-aio Nguyen Thanh Huy en FOM-oio Alessia Gasparin geven daarin de resultaten van metingen aan elektrisch transport, magnetische en thermische eigenschappen van UCoGe. Die wijzen er alle op dat in UCoGe supergeleiding en ferromagnetisme werkelijk gelijktijdig bestaan. De verklaring is dat de supergeleiding in UCoGe onder invloed van het ferromagnetisme een ongebruikelijke spintoestand vormt die beide fenomenen gelijktijdig mogelijk maakt. Deze bevinding maakt de bekende verklaring voor supergeleiding bij lage temperaturen misschien wat ingewikkelder dan tot nog toe gedacht. 

Het idee van een eeuwige elektrische stroom die zonder energieverlies door een supergeleider loopt, houdt onderzoekers al bezig sinds het begin van de 20ste eeuw. In hun publicatie geven de onderzoekers dit onderzoeksgebied een nieuwe draai met de ontdekking van een tegendraadse stof die alle regels breekt door onbezorgd te supergeleiden, maar die tegelijkertijd een ferromagneet is.

Veel metalen kiezen er voor om supergeleidend te worden bij lage temperatuur. Er is echter een groep van notoire dwarsliggers – de ferromagneten – die koppig weigert te luisteren naar de lonkende roep van supergeleiding. In een ferromagneet organiseren de elektronen van de atomen in het rooster zich zodanig dat hun spins – net kleine kompasnaaldjes – alle in dezelfde richting wijzen. Zo creëren zij samen een magneetveld. Deze spinordening is als vergif voor supergeleiding, die juist vereist dat de elektronen samengaan in paren met hun spins in tegengestelde richting: precies datgene wat een ferromagneet niet wil.

De onderzoekers hebben nu een tegendraadse supergeleider ontdekt – in de vorm van een legering van uranium, kobalt en germanium – waarin supergeleiding en ferromagnetisme zich als goede vrienden gedragen in plaats van als aartsvijanden. Wanneer dit materiaal gekoeld wordt tot een paar graden boven het absolute nulpunt wordt het een ferromagneet. Bij nog verder koelen wordt het een supergeleider, maar bijzonder is dat de ferromagnetische ordening blijft bestaan.

Deze schijnbare paradox kan alleen verklaard worden door aan te nemen dat de elektronen paren vormen met parallelle spin (ook wel tripletpaar genoemd). Deze manier van paring levert immuniteit op voor het magneetveld in de ferromagneet. De rebelse supergeleiders die zo’n truc gebruiken, vormen een kleine en lastige familie, en zijn tot op heden alleen te vinden onder extreme omstandigheden zoals zeer lage temperatuur en hoge druk. UCoGe, het jongste lid van de familie, is gemakkelijker handelbaar, omdat de supergeleiding voorkomt bij de relatief hoge temperatuur van 1 kelvin en bij atmosferische druk. Dit maakt het mogelijk om deze fascinerende en mysterieuze vorm van triplet-supergeleiding in detail te bestuderen.

Supergeleiding in UCoGe is een fraai voorbeeld van ongewone quantumordening, opgewekt door een zogeheten quantumfaseovergang wanneer de temperatuur naar het absolute nulpunt gaat. Kritische spinfluctuaties, die gepaard gaan met een faseovergang van een ferromagneet naar een paramagneet (een materiaal dat alleen in aanwezigheid van een magnetisch veld magnetisch wordt), zijn dan de excitaties die deze zeer zeldzame vorm van supergeleiding mogelijk maken.