Superstromen gaan chiraal: nieuw type supergeleidende junctie
Onconventionele supergeleiders vormen een van de grote vraagstukken uit de natuurkunde. Eén daarvan is strontiumruthenaat, dat eruit springt als controversiële supergeleider. Leidse natuurkundige Kaveh Lahabi heeft tijdens zijn promotie-onderzoek nieuwe inzichten opgedaan over de aard van supergeleiding in dit materiaal, wat leidde tot een nieuw type supergeleidende junctie. Lahabi is cum laude gepromoveerd.
Sinds Heike Kamerlingh Onnes in 1911 supergeleiding ontdekte in Leiden proberen natuurkundigen uit te vogelen waarom sommige materialen stroom geleiden zonder enige weerstand. In 1957 ontwikkelden Bardeen, Cooper en Schrieffer de eerste theorie over hoe supergeleiding werkt op microscopisch niveau: elektronen vormen paartjes. Maar tijdens de daaropvolgende decennia werden er nieuwe supergeleiders ontdekt die de theorie niet kon beschrijven. Dit zijn onconventionele supergeleiders, waarbij strontiumruthenaat (Sr2RuO4) eruit springt als een van de meest controversiële. Bij de overgang naar een supergeleidende toestand lijkt er daar iets vreemds aan de hand met de elektronparen: hun elektronen beginnen spontaan om elkaar heen te cirkelen.
Chirale domeinen
Omdat de draaibeweging van de gepaarde elektronen ofwel met de klok mee is ofwel tegen de klok in, hebben theoretici voorgesteld dat de supergeleider zichzelf opdeelt in domeinen waarin alle elektronen dezelfde richting op draaien—chirale domeinen. Maar ondanks vele pogingen in de afgelopen twee decennia zijn zulke domeinen nooit direct waargenomen. Tijdens zijn promotie-onderzoek heeft Kaveh Lahabi, in samenwerking met een groep van Kyoto University, als eerste sterk bewijs geleverd voor het bestaan van zogenoemde chirale domeinwanden—de grens tussen twee chirale domeinen.
Domeinwand als junctie
Lahabi ontdekte, samen met zijn begeleider Jan Aarts en het Kyoto team, dat een chirale domeinwand zich gedraagt als een ongebruikelijk soort Josephson junctie, die normaal gesproken bestaat uit twee supergeleiders gescheiden door een zwakke schakel. In conventionele elektronica worden elektronen aangedreven door een potentiaalverschil, bijvoorbeeld via een batterij. Binnen supergeleiders kan er echter geen elektrisch veld of potentiaalverschil bestaan. In plaats daarvan wordt een supergeleidende stroom aangedreven door een verschil in de quantummechanische fase (ϕ) van supergeleiders, die meestal wordt opgewekt door een externe stimulus zoals een magnetisch veld.
Echter langs een chirale domeinwand kan er zelfs zonder externe stimulus een superstroom lopen. De juncties die Lahabi en collega’s vonden in strontiumruthenaat laten tekenen zien van een intrinsiek faseverschil (0<ϕ<π), dat zou moeten leiden tot een spontane stroom die loopt tussen naburige chirale domeinen. Zo’n junctie heeft de potentie om superstromen op te slaan en te dienen als een supergeleidende “batterij”, met toekomstige toepassingen zoals supergeleidend geheugen en quantum computation.