Spin-triplet supergeleiding: de vreemde neef van de gewone supergeleider
Supergeleiding is het verschijnsel waarbij een materiaal, meestal bij zeer lage temperatuur, plotseling alle elektrische weerstand verliest. Stroom kan er dan in principe eindeloos in blijven rondlopen zonder energie te verliezen. In de meeste supergeleiders vormen elektronen daarvoor koppels, zogeheten Cooper-paren, waarbij de twee elektronen tegengestelde spin hebben. Spin is een soort ingebouwd draaimoment van een elektron, vaak voorgesteld als 'omhoog' of 'omlaag' wijzend. Bij gewone supergeleiding wijst de ene partner omhoog en de andere omlaag: samen heffen ze elkaar magnetisch op. Dit heet een spin-singlet paar.
Bij spin-triplet supergeleiding wijzen beide elektronen in een paar dezelfde kant op, allebei omhoog of allebei omlaag. Vergelijk het met twee dansers: bij de gewone variant houden ze elkaar vast terwijl ze tegengesteld gericht staan en elkaar in balans houden; bij de triplet-variant staan ze naast elkaar in dezelfde richting. Zo'n paar heeft een kleine ingebouwde magnetische oriëntatie in plaats van een neutrale. Dat kleine verschil in koppelgedrag heeft grote gevolgen: triplet-paren zijn veel ongevoeliger voor magnetische velden en kunnen bovendien exotische, mogelijk bruikbare eigenschappen krijgen die in gewone supergeleiders niet voorkomen.
Wat is het precies?
Om te begrijpen waarom dit bijzonder is, moet je terug naar de basistheorie van supergeleiding, de zogeheten BCS-theorie uit 1957. Die beschrijft hoe elektronen, die elkaar normaal afstoten omdat ze dezelfde negatieve lading dragen, via trillingen in het kristalrooster (fononen) toch een zwakke aantrekkingskracht kunnen voelen. Ze vormen dan Cooper-paren met tegengestelde spin en tegengestelde bewegingsrichting. Die paren gedragen zich als één geheel en kunnen ongehinderd door het materiaal stromen.
Spin-triplet supergeleiding vraagt om een ander koppelmechanisme, omdat twee elektronen met dezelfde spin volgens de kwantummechanica nooit op exact dezelfde plek en met dezelfde baanbeweging mogen zitten (het Pauli-uitsluitingsprincipe). Om toch een stabiel paar te vormen, moet hun gezamenlijke baanbeweging een asymmetrische, 'kronkelende' vorm aannemen, vaak aangeduid als p-golf pairing in plaats van de simpele s-golf van gewone supergeleiders. Dit vereist doorgaans geen fononen als lijm, maar magnetische fluctuaties: piepkleine, snel wisselende magnetische golfjes in het materiaal zelf, vooral in stoffen waar magnetisme en geleiding nauw met elkaar verweven zijn.
Een nuttige analogie is superfluïde helium-3, een isotoop van helium die bij temperaturen vlakbij het absolute nulpunt al zonder enige wrijving kan stromen. Daar vormen de heliumatomen (die net als elektronen spin een-half hebben) triplet-paren. Natuurkundigen namen deze kennis uit de heliumfysica van de jaren zeventig mee naar de zoektocht naar vaste-stof materialen met vergelijkbaar gedrag.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is fundamenteel: triplet-paren met hun kronkelende baanbeweging kunnen een inwendige 'handigheid' krijgen, vergelijkbaar met een linker- of rechterhandschoen. Dat heet chirale supergeleiding. Zulke materialen behoren tot een bredere klasse die topologische supergeleiders wordt genoemd, waarin aan de randen of in kleine wervelingen (vortices) van het materiaal bijzondere kwantumtoestanden kunnen ontstaan, de zogeheten Majorana-nulmodi. Dit zijn deeltjesachtige aanregingen die hun eigen antideeltje zijn, voorspeld door de natuurkundige Ettore Majorana in 1937.
Majorana-nulmodi worden gezien als een veelbelovende bouwsteen voor topologische kwantumcomputers: kwantumbits die informatie op een verspreide, ruimtelijk gescheiden manier opslaan, waardoor ze in theorie veel minder gevoelig zijn voor storingen dan de kwantumbits die nu in de meeste kwantumcomputers worden gebruikt. Daarnaast hoopt men dat de magnetische ongevoeligheid van triplet-paren nuttig is voor supergeleidende spintronica: elektronica die spin-informatie transporteert zonder energieverlies, en voor supergeleidende materialen die blijven werken in sterkere magneetvelden dan nu mogelijk is, wat relevant is voor bijvoorbeeld krachtige elektromagneten.
Het is belangrijk om de verwachtingen hier te temperen: dit is voornamelijk fundamenteel onderzoek. Er bestaat nog geen werkend apparaat dat spin-triplet supergeleiding daadwerkelijk gebruikt; het gaat vooralsnog om het begrijpen en aantonen van het verschijnsel zelf.
Voorbeelden uit de praktijk
Strontiumruthenaat (Sr2RuO4) gold sinds de ontdekking van supergeleiding erin in 1994 door de groep van Yoshiteru Maeno in Kyoto decennialang als het schoolvoorbeeld van een spin-triplet supergeleider, op basis van kernspinresonantiemetingen (NMR) uit 1998. In 2019 lieten herhaalde, technisch verfijnde metingen van onder meer Pustogow, Chronister en collega's echter zien dat de oorspronkelijke meting waarschijnlijk door verwarmingseffecten was vertekend, en dat de spin-toestand toch meer op een singlet-achtig gedrag lijkt. Dit zette een gevestigd hoofdstuk in de natuurkunde op losse schroeven en het pairingmechanisme van Sr2RuO4 wordt sindsdien opnieuw onderzocht.
Uraniumditelluride (UTe2) is sinds de eerste publicatie hierover in 2019 door onderzoekers verbonden aan het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of Maryland uitgegroeid tot de meest besproken kandidaat. Het materiaal blijft, opmerkelijk, supergeleidend bij magneetvelden die in theorie elk gewoon singlet-paar zouden moeten verbreken (de zogeheten Pauli-limiet), en vertoont zelfs een 'terugkerende' supergeleidende fase die pas bij tientallen tesla weer opduikt nadat de gewone supergeleiding al was verdwenen. Dat wijst sterk op triplet-pairing.
Ferromagnetische uraniumverbindingen zoals UGe2, URhGe en UCoGe laten zien dat supergeleiding kan samengaan met, en soms zelfs afhankelijk is van, magnetische ordening. Omdat een gewoon singlet-paar direct kapot zou gaan in een sterk intern magnetisch veld, is de aanwezigheid van supergeleiding binnen de ferromagnetische fase van deze materialen een van de sterkste indirecte aanwijzingen voor triplet-pairing die er bestaan.
Superfluïde helium-3 is strikt genomen geen elektrische supergeleider maar een neutrale superfluïde vloeistof; het dient vooral als theoretisch en experimenteel referentiepunt omdat het gedrag van de triplet-paren er al sinds de jaren zeventig in detail is bestudeerd, met de A- en B-fase als bekende voorbeelden van chirale respectievelijk niet-chirale triplet-toestanden.
Hoe ver is de techniek?
Dit veld bevindt zich nog volledig in de fase van fundamenteel laboratoriumonderzoek. Er is geen apparaat of chip die vandaag al gebruikmaakt van spin-triplet supergeleiding; het onderzoek draait om het onomstotelijk aantonen van het verschijnsel en het begrijpen van het onderliggende mechanisme.
Het tempo van vooruitgang wordt vooral bepaald door de moeilijkheid van de metingen. De signalen die triplet-pairing onderscheiden van singlet-pairing zijn subtiel en makkelijk te verstoren door verwarmingseffecten, kristalonzuiverheden of meetartefacten, zoals de episode rond Sr2RuO4 pijnlijk duidelijk maakte. Bovendien zijn de meest veelbelovende materialen zogeheten zware-fermionverbindingen: complexe, moeilijk zuiver te kweken kristallen waarin elektronen zich door onderlinge magnetische wisselwerking gedragen alsof ze honderden keren zwaarder zijn dan normaal.
Voor UTe2 is er sinds 2019 snel vooruitgang geboekt in het karakteriseren van de verschillende supergeleidende fasen die onder druk en in magneetvelden ontstaan, maar een sluitend, algemeen geaccepteerd theoretisch model ontbreekt nog. Voor Sr2RuO4 is de discussie na 2019 juist heropend in plaats van afgesloten. Kortom: de wetenschappelijke consensus over welk materiaal daadwerkelijk spin-triplet is, en hoe zeker die classificatie is, verschuift nog regelmatig.
Wie werken eraan?
Het onderzoek is sterk geconcentreerd bij een klein aantal gespecialiseerde academische en overheidslaboratoria die zich richten op zware-fermion- en kwantummaterialen. In de Verenigde Staten spelen het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of Maryland een centrale rol in het UTe2-onderzoek, samen met groepen aan onder meer Cornell University. In Japan is Kyoto University, met de groep van Yoshiteru Maeno, al sinds de jaren negentig toonaangevend op het gebied van Sr2RuO4, aangevuld met onderzoek bij RIKEN en andere Japanse universiteiten. In Europa dragen onder meer het Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids in Dresden, ETH Zürich in Zwitserland en Franse onderzoeksinstellingen zoals CEA bij aan de theorie en aan metingen onder extreme druk en magneetveld. Het gaat vrijwel uitsluitend om publiek gefinancierd, academisch grondonderzoek; commerciële partijen zijn vooralsnog niet direct betrokken bij spin-triplet supergeleiding zelf, al volgen bedrijven die aan topologische kwantumcomputers werken de ontwikkelingen in topologische supergeleiders met interesse vanwege het verband met Majorana-nulmodi.