Voor de beste ervaring schakelt u JavaScript in en gebruikt u een moderne browser!
Switch to English

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

Anne Visser/FOM

Het materiaal waarin de nieuwe quantumtoestand is gevonden, is bismut-selenide, 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 bismut-selenide 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. Bismut-selenide 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.

Anne Visser/FOM
De elektrische weerstand R, bij verschillende temperaturen gemeten. Het aangelegde magneetveld draait in het vlak van de gelaagde supergeleider. Hier is te zien dat de rotatiesymmetrie is 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

De betrokken UvA-onderzoekers zijn dr. Anne de Visser en dr. Yingkai Huang van de Quantum Electron Matter-groep van het Van der Waals-Zeeman Instituut; vanuit FOM maken promovendi Yu Pan en Artem Nikitin deel uit van het team. De onderzoekers wijzen erop dat de ontdekking bewijst dat dit speciale materiaal  een uniek laboratory tool  is. Met deze vreemde supergeleider kunnen natuurkundigen de bijzondere quantumeffecten van topologische supergeleiding onderzoeken.

Publicatiegegevens

Y. Pan, A.M. Nikitin, G. K. Araizi, Y.K. Huang, Y. Matsushita, T. Naka and A. de Visser: 'Rotational symmetry breaking in the topological superconductor SrxBi2Se3 probed by upper critical field experiments', in Scientific Reports 6, 28632 (2016). DOI: 10.1038/srep28632 (2016).