Warme supergeleiderszijn geschift

Theoretici begrijpen nog steeds weinig van de opzienbarende keramische supergeleiders uit de jaren tachtig. Een Leidse fysicus weet allang waarom; het aloude denkraam deugt niet....

JAN ZAANEN, prof. dr., theoretisch fysicus in Leiden, beleeft deze week zijn finest hour, dat wil hij best hardop erkennen. Dat hij persoonlijk in een commentaar in het Britse weekblad Nature de nekslag mag geven aan populaire misverstanden over supergeleiding, doet na ruim tien jaar campagnevoeren natuurlijk deugd.

Maar, haast hij zich, het werk begint nu pas. 'Het probleem van de keramische supergeleiding is nog absoluut niet opgelost. Er schemert van alles door de mist, het oogt prachtig, maar helder is het nog lang niet.'

In het voorjaar van 1986, Zaanen was naar eigen zeggen nog maar 'een piepklein postdocje' in Leiden, ontdekten Alex Müller en Georg Bednorz van IBM Research in Zürich dat sommige keramische koperverbindingen bijzondere supergeleiders zijn. Anders dan metalen die bij extreme afkoeling geen elektrische weerstand meer hebben, verliezen deze verbindingen die weerstand al bij relatief geringe koeling. Dat opende technische vergezichten en dus was de wereld in rep en roer. De ontdekkers kregen al in 1987 de Nobelprijs voor natuurkunde.

Supergeleiding was niet nieuw, want het verschijnsel was al in 1911 in kwik ontdekt door Heike Kamerlingh Onnes in Leiden. Maar pas in 1957 vonden drie Amerikanen - Bardeen, Schreiffer en Cooper - een solide theoretische verklaring voor het wegvallen van de weerstand bij lage temperatuur. Dat is een quantumeffect, aldus hun BCS-theorie, die sindsdien algemeen aanvaard is.

Een metaal, is daarbij het idee, bestaat uit een rooster van atomen waar de buitenste elektronen vrij tussendoor kunnen bewegen, alsof ze een gas vormen. Zij het een bijzonder gas, waarin volgens het zogeheten Pauli-verbod uit de quantumtheorie geen twee elektronen in precies dezelfde toestand kunnen verkeren. Hoe ver het ook wordt afgekoeld, er blijven elektronen kriskras bewegen en dus houdt het materiaal weerstand.

Tenzij, realiseerden de Amerikanen zich, zulke elektronen telkens paren vormen. Een dergelijk tweetal ontsnapt aan het Pauli-verbod, waardoor alle paren wel in dezelfde toestand kunnen verkeren. Abrupt valt dan de weerstand weg in het betreffende metaal.

Voor supergeleidende metalen is dat een uitstekende theorie. Maar al kort na de ontdekking van de nieuwe keramische supergeleiders in 1986 werd duidelijk dat de BCS-theorie daarvoor niet zonder aanpassing opgaat. Zaanen: 'Er is heel hard aan gewerkt om het bouwwerk toch overeind te houden. En met veel kunst en vliegwerk was dat heel aardig gelukt ook, moet je vaststellen.'

Tot deze week. Nature publiceerde donderdag twee artikelen over experimenten die onomstotelijk uitwijzen dat er in zulke 'warme supergeleiders' dingen gebeuren waar de gangbare BCS-theorie echt geen raad mee weet. De elektronen hebben dermate grillige kenmerken, dat die met de beste wil van de wereld niet meer als gaseigenschappen zijn op te vatten.

De proeven, bij het Oak Ridge National Laboratory en de Universiteit van Maryland in de VS, wijzen veeleer in de richting van de theorie die Zaanen eind jaren tachtig in omloop bracht, die van de zogeheten stripes. Daarin vormen elektronen geen gasachtig medium, maar een geheel onbekend soort quantummaterie, waarvan ondermeer de magnetische eigenschappen in langgerekte strepen zijn geordend. In gewone metalen bijvoorbeeld staan zulke stripes stil, in supergeleiders bewegen ze.

Zaanen: 'Ik ontdekte zulke structuren haast per ongeluk in mijn computersimulaties, maar als je er eenmaal oog voor hebt, valt alles op zijn plaats.' Tot halverwege de jaren negentig vroeg de Leidse theoreticus tevergeefs aandacht voor zijn merkwaardige quantumstreeppatronen. Maar in 1995 werden statische stripes voor het eerst waargenomen in een keramische koperverbinding.

Zaanen: 'Sindsdien heb ik het weer opgepakt en benik ermee rondgetrokken als een handelsreiziger. En de laatste tijd begon het aan te slaan. Vooral de jongere generatie onderzoekers heeft geen probleem met een nieuw paradigma in hun vak. De weerstand komt vooral van de oude mannen, die de omslag niet kunnen of willen maken. Al is weerstand niet slecht, als je dat weerstaat heb je echt iets in handen.'

Maar een nieuw paradigma, haast ook Zaanen zich, is nog geen echte theorie. Het oude beeld van paren in een elektronengas heeft afgedaan, dat is zeker. Maar wat de stripe-structuren precies zijn, aan welke wetten ze voldoen, waar ze eventueel op de BCS-theorie aansluiten en vooral: hoe ze precies leiden tot supergeleiding, zijn allemaal nog open vragen. Een situatie waarbij een theoreticus als Zaanen zijn vingers bij aflikt. Er zijn, zegt hij verheugd, verbanden te leggen met de beproefde quarktheorieën uit de deeltjesfysica en zelfs met de hypermoderne snaartheorie.

Of een en ander uiteindelijk ook leidt tot bijvoorbeeld weerstandloze geleiding bij kamertemperatuur durft hij niet te zeggen. 'En eerlijk gezegd interesseert me dat ook even niet. Het kan een tijd duren, maar als je je denkraam verandert, vind je hoe dan ook nieuwe dingen.'

Meer over