Hoe nanodraadjes hun supergeleiding kwijtraken

Supergeleiders zijn metalen die bij extreem lage temperaturen hun weerstand verliezen. Elektriciteit kan er dan ongehinderd doorheen stromen. Maar temperatuur is niet het enige dat supergeleiding beïnvloedt. Amerikaanse onderzoekers hebben ontdekt hoe magneetvelden supergeleiding kunnen opbreken.

Illustratie van de verdwijning van supergeleiding in nanodraadje. De groene strepen verbeelden elektronen die verbonden zijn als Cooperparen. De blauwe en roze strepen zijn elektronen die uit een Cooperpaar vallen door de aanwezigheid van een magnetisch veld. Als het magneetveld toeneemt vallen steeds meer Cooperparen uit elkaar waardoor de supergeleiding verdwijnt. Bron: Adrian Del Maestro

De onderzoekers ontdekten dat nanodraadjes hun supergeleiding kwijtraken als ze blootgesteld worden aan een steeds sterker wordend magnetisch veld. Theoretisch fysicus Adrian Del Maestro van de University of Vermont beschrijft dit effect in een theoretisch model dat op microscopische schaal verklaart wat er gebeurt in supergeleiders.

Del Maestro’s theorie beschrijft een dun nanodraadje omdat dit een relatief simpele supergeleider is om berekeningen mee te doen.

Supergeleiding

Supergeleiding werd ruim honderd jaar geleden ontdekt in Leiden door de natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes. Hij bestudeerde materialen bij een temperatuur van enkele graden boven het absolute nulpunt (0° Kelvin of -273° Celsius). Toen hij de elektrische weerstand mat van kwik bij 4° Kelvin, zag hij iets vreemds. De elektrische weerstand verdween plots. Het kwik werd supergeleidend.

Naast kwik zijn er inmiddels meer supergeleidende metalen ontdekt. Ze worden bijvoorbeeld gebruikt in MRI-scanners.

Cooperparen

Supergeleiding ontstaat door het gedrag van de elektronen in het materiaal. Bij extreem lage temperaturen vormen de elektronen paren. Deze zogenoemde Cooperparen bewegen zich samen, wrijvingsloos door het materiaal. Elektriciteit kan via die elektronenparen zonder energie verlies stromen.

Volgens het theoretische model van de onderzoekers kun je de Cooperparen opbreken door een supergeleidend nanodraadje in een magnetisch veld te brengen. ‘Dat komt doordat het magnetische veld een effect heeft dat je je voor kunt stellen als een soort wrijvingskracht’, zegt Del Maestro. Door die kracht raken de elektronen elkaar gemakkelijk kwijt en breken ze op in twee losse elektronen. En zonder Cooperparen verdwijnt de supergeleiding.

‘Met het model kunnen we heel precies voorspellen hoe krachtig het magnetische veld moet zijn om de Cooperparen op te breken en de supergeleiding te laten verdwijnen’, zegt Del Maestro.

Superdun draadje

Rasterelektronenmicroscoop-foto van een nanodraadje zoals gebruikt in het onderzoek. Het is draadje heeft een doorsnee van 10 nanometer en is gemaakt van een molybdeen-germanium legering. Bron: Andrey Rogachev, Hyujung Kim

De voorspelling van het model werd getest met een supergeleidend nanodraadje van een molybdeen-germanium legering. De onderzoekers fabriceerden een superdun draadje, met een doorsnee van minder dan 10 nanometer (10 miljoenste van een millimeter).

Dit draadje werd afgekoeld tot 0,005° Kelvin en blootgesteld aan een langzaam oplopend magneetveld. Tegelijkertijd maten de onderzoekers de elektrische weerstand in het draadje. Zo toonden ze aan dat de supergeleiding verdween bij het voorspelde magneetveld.

Een supergeleidend nanodraadje is een relatief simpel model. Na de succes van deze eerste test hopen de onderzoekers hun theorie verder uit te kunnen breiden. ‘De volgende stap is om te testen met dunne vellen supergeleidend materiaal’, zegt medeauteur Andrey Rogachev van de University of Utah.

Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.

Lees verder:

Over de auteur

Dorine Schenk

Dorine Schenk is freelance wetenschapsjournalist voor o.a. NRC en New Scientist. Ze studeerde (astro-)deeltjesfysica aan de Universiteit van Amsterdam. Daarnaast houdt ze van hardlopen. Volg haar op Twitter via @dorineschenk.



3 Reacties

  • Vandenabeele Dirk

    | Beantwoorden

    Er staat “langzaam oplopenden temperatuur” ? moet magnetisch veld zijn veronderstel ik ? Groeten, Dirk

    • Dorine Schenk

      | Beantwoorden

      U hebt gelijk, het is aangepast

  • Tarson Peter

    | Beantwoorden

    Supergeleiding wordt verklaard met cooperparen.
    Is in deeltjesversnellers al waargenomen of is theoretisch al bestudeerd in welke omstandigheden of welke fenomenen vereist zijn om proton-paren te kunnen creëren ?

Plaats een reactie