Elektronparen blijven stabiel boven kritische temperatuur supergeleiding

(English below Dutch)

Wetenschappers hebben ontdekt dat elektronparen soms samenblijven als de supergeleidende toestand is opgeheven. Ze zagen dit verschijnsel in titaniumnitride tot aan tweemaal de kritische temperatuur. In conventionele supergeleiders gaan elektronparen en supergeleiding hand in hand. Ruimteonderzoekers gebruiken titaniumnitride voor het bestuderen van exoplaneten. Publicatie in Science op 29 oktober.

Het precieze mechanisme achter supergeleiding is een van de grootste mysteries in de natuurkunde. Er is een theorie die verklaart waarom sommige materialen supergeleidend worden: als ze afgekoeld worden tot onder de kritische temperatuur, vormen de elektronen in het materiaal paren, zogeheten Cooperparen. Vervolgens condenseren deze Cooperparen tot een quantumvloeistof die zonder weerstand door het materiaal vloeit. Dit veroorzaakt de supergeleiding.

Tot nog toe dachten natuurkundigen dat de vorming van Cooperparen en de condensatie naar een weerstandsloze toestand een gezamenlijk proces was, dat dus tegelijkertijd gebeurt. ‘Dat is wat in alle leerboeken staat,’ zegt Leids natuurkundige Koen Bastiaans, eerste auteur van het artikel.

Het kwam daarom als een verrassing dat Bastiaans en collega’s ontdekten dat Cooperparen ook kunnen bestaan boven de kritische temperatuur, waar ze een nieuwe, mysterieuze quantumvloeistof vormen. ‘Dat betekent dus dat de vorming van Cooperparen los staat van het condenseren zelf’, zegt Bastiaans. ‘Voor mij heeft dat mijn ideeën over supergeleiding helemaal omgegooid.’

Het onderzoek is begonnen in nauwe samenwerking met de TU Delft en SRON Netherlands Institute for Space Research, met een focus op de supergeleider titaniumnitride, een materiaal dat ook gebruikt wordt in gevoelige optische detectoren in het ruimteonderzoek. De wetenschappers gebruikten een nieuwe techniek—Scanning Tunnelling Noise Spectroscopy—die de elektrische ruis meet binnen een materiaal. Die ruis is anders voor paren dan voor losse elektronen. ‘Het is een beetje alsof je luistert naar regendruppels die op het dak vallen,’ legt Bastiaans uit. ‘Als de druppels dikker worden, klinkt de regen anders.’

Toen de temperatuur boven 2,95 Kelvin (graden boven het absolute nulpunt) kwam, verdween de supergeleiding, zoals verwacht. Maar de Cooperparen bleven bestaan totdat de temperatuur zo’n 7,2 Kelvin was. ‘Dus je kunt Cooperparen hebben die niet gecondenseerd zijn en zonder supergeleiding’, zegt Bastiaans, ‘Eerder waren er wel aanwijzingen geweest dat dit mogelijk was, maar het is nooit onweerlegbaar bewezen. Het betekent dat we een nieuw soort quantumvloeistof hebben gevonden: een materietoestand die elektrische weerstand heeft, maar toch gemaakt is van Cooperparen.’

SRON-wetenschappers, onder wie Pieter de Visser, gebruiken titaniumnitride om een detectietechniek te ontwikkelen voor ruimte-instrumentatie— Microwave Kinetic Inductance Detectors (MKID). Deze supergeleidende detectoren kunnen de energie meten van individuele fotonen, bijvoorbeeld vanaf exoplaneten. Om hun detectiemechanisme te verbeteren moeten ze de natuurkunde erachter snappen. Daarom werken ze samen met de groep van Bastiaans en leverden ze de titaniumnitride samples. De Visser: ‘We laten zien dat technologieontwikkeling en fundamentele wetenschap hand in hand gaan. Terwijl we de wetenschap proberen te begrijpen achter een observationele techniek voor sterrenkunde, kan dat leiden tot fundamenteel nieuwe fysica.’

Publicatie

Bastiaans K., Chatzopoulos D., Ge J., Cho D., Tromp W., Van Ruitenbeek J., Fisher M., De Visser P., Thoen D., Driessen E., Klapwijk T., Allan M., ‘Direct evidence for Cooper pairing without a spectral gap in a disordered superconductor above Tc’, Science

Electron pairs remain stable above superconducting temperature

Scientists have discovered that electron pairs can stay together even when the superconducting state has collapsed. They observed the phe-nomenon in titanium nitride until up to double the critical temperature. In conventional superconductors, electron pairs and superconductivity go hand in hand. Titanium nitride is used for its superconductive prop-erties in space research for detecting exoplanets. Publication in Science on 29 October.

The exact mechanism behind superconductivity is one the of the enduring mys-teries of physics. There is a theory that explains why some materials become superconducting: once cooled below their transition temperature, the electrons in the material pair up to form Cooper pairs. These Cooper pairs condense into a quantum liquid that flows effortlessly, without resistance, through the crystal, resulting in superconductivity.

Up until now, physicist thought that the formation of Cooper pairs and the condensation into the resistance-free state is a joint process that happens simultaneously. ‘That’s what we all learned in textbooks’, says Leiden physicist Koen Bastiaans, lead author of the study.

Here comes the big surprise. Bastiaans and colleagues have discovered that Cooper pairs could still exist above the superconducting transition temperature, forming a new mysterious quantum liquid state. ‘This means that the formation of Cooper pairs is not the same process as the condensing itself’, says Bastiaans. ‘For me, this completely changed how I think about superconductivity.’

Research started out in close collaboration with Delft University of Technology and SRON Netherlands Institute for Space Research, focusing on the superconductor titanium nitride, which is also used in sensitive optical detectors for space research. The physicists applied a new technique called Scanning Tunnelling Noise Spectroscopy, that measures the electrical noise within the material. The noise is different for pairs compared to single electrons. ‘It’s a bit like listening to raindrops falling on the roof’, Bastiaans explains. ‘When the drops grow fatter, the drumming sound of the rain changes.’

While the superconductivity vanishes at 2,95 Kelvin (degrees above absolute zero), the Cooper pairs stay around until the temperature reaches about 7,2 Kelvin. ‘So you can have Cooper pairs without condensation and superconductivity’, says Bastiaans. ‘There had been hints that this was possible, but never uncontrovertible proof. The Cooper pairs we found form a new kind of quantum liquid.’

Scientists from SRON, including Pieter de Visser, use titanium nitride to develop a detection technique for space instrumentation—Microwave Kinetic Inductance Detectors (MKID). These superconducting detectors are able to measure the energy of individual photons from exoplanets. To improve the detection mechanism, they need to understand the physics behind it. Therefore, they collaborated with Bastiaans’ group and contributed by providing the titanium nitride samples. De Visser: ‘We show that technology development and fundamental science go hand in hand. While we are trying to understand the science behind an observational technique for astronomy, it can lead to fundamentally new physics.’