Vreemd gedrag van supergeleider levert nieuw labgereedschap op

Onderzoekers van de Stichting FOM, de Universiteit van Amsterdam en het National Institute for Materials Science in Tsukuba (Japan) hebben een bijzondere nieuwe kwantumtoestand ontdekt in een supergeleidend materiaal. Die toestand kenmerkt zich doordat de rotatiesymmetrie gebroken is: als je het materiaal in een magneetveld draait, blijkt de supergeleiding niet overal hetzelfde te zijn.

Het materiaal waarin de kwantumtoestand is gevonden, is bismutselenide, ofwel Bi₂Se₃. Dit materiaal is een topologische isolator. Deze groep materialen vertoont een vreemde eigenschap: ze geleiden geen stroom aan de binnenkant, maar wel aan hun oppervlak. Onderzoekers kunnen het materiaal bovendien nog specialer maken: wanneer zij een klein beetje strontium aan het bismutselenide toevoegen, tovert dat het materiaal om tot supergeleider. Dat wil zeggen dat het materiaal bij lage temperaturen extreem goed stroom geleidt, doordat de elektrische weerstand helemaal verdwenen is.

 

Elektron zoekt maatje

Supergeleiding is te verklaren door het gedrag van de elektronen in het materiaal. In een supergeleider zoeken sommige elektronen een maatje: de elektronen koppelen tot paren. Deze paren, zogeheten Cooperparen, kunnen zonder weerstand of energieverlies door het materiaal bewegen.   

 

Gebroken symmetrie

Het onderzoeksteam plaatste het materiaal in een magneetveld, dat de supergeleidende eigenschappen van het materiaal onderdrukt. Bismutselenide heeft een gelaagde kristalstructuur en het magneetveld dat de onderzoekers gebruikten stond evenwijdig aan het vlak van deze lagen. Gewoonlijk maakt het niet uit in welke richting het magneetveld vervolgens wijst, de onderdrukking is in alle richtingen hetzelfde. De onderzoekers ontdekten echter dat dit niet het geval is bij hun speciale materiaal. Wanneer zij het magneetveld draaiden in het vlak van de lagen, zagen zij dat de geleiding soms meer en soms minder onderdrukt werd, afhankelijk van de richting waarin het veld wees. De rotatiesymmetrie van het materiaal is dus gebroken.

 

Voorkeursrichting

Het breken van de rotatiesymmetrie kan alleen verklaard worden als de elektronen in dit materiaal bijzondere Cooperparen vormen, namelijk spin-triplet-paren in plaats van de gebruikelijke spin-singlet-paren. Deze Cooperparen kunnen een voorkeursrichting aannemen in het kristal.

 

Nieuw labgereedschap

Het team, met FOM-promovendi Yu Pan en Artem Nikitin, wijst erop dat de ontdekking bewijst dat dit speciale materiaal  een uniek laboratory tool  is. Met deze vreemde supergeleider kunnen natuurkundigen de bijzondere kwantumeffecten van topologische supergeleiding onderzoeken.

 

Rotational symmetry breaking in the topological superconductor SrxBi2Se3 probed by upper critical field experiments, Y. Pan, A.M. Nikitin, G. K. Araizi, Y.K. Huang, Y. Matsushita, T. Naka and A. de Visser, Sci. Rep. 6, 28632 (2016). DOI: 10.1038/srep28632 (2016).