In 1986 jaar keerde de ontdekking van supergeleiding in keramische materialen op basis van koper — de cupraten — de voorstellingen van fysici volledig om. De overgangstemperatuur naar de supergeleidende toestand sprong plotseling meerdere malen hoger dan de vroegere grens, en de vertrouwde BCS-theorie, die het verschijnsel verklaarde door roostertrillingen, werkte niet meer.
Een internationaal team onder leiding van professor Nigel Hussey van de Radboud Universiteit en HFML-FELIX heeft samen met collega's uit China, Groot-Brittannië en de Verenigde Staten eindelijk het sleutelmechanisme gevonden. De onderzoekers toonden aan dat in elektronengedoteerde cupraten, zoals lanthaan-cerium-koperoxide, elektronen juist paren vormen dankzij de wisselwerking met spinafluctuaties — snelle trillingen van de minuscule magnetische momenten van atomen.
Om dit te bewijzen maakten de wetenschappers een bijzondere dunne film met een geleidelijke gradiënt van de kritische temperatuur over de lengte. Lithografische contacten maakten het mogelijk de weerstand bij verschillende waarden van de overgangstemperatuur te meten, terwijl hetzelfde niveau van wanorde behouden bleef. De analyse van de gegevens in sterke magnetische velden bracht aan het licht: de belangrijkste bron van weerstand is de verstrooiing van elektronen aan fluctuerende spins, en de sterkte van deze wisselwerking correleert rechtstreeks met de supergeleidingstemperatuur.
De analogie is eenvoudig: stel u een stroom elektronen voor als een menigte mensen in de metro. Spinafluctuaties zijn de plotselinge 'duwtjes' van omstanders, die in een gewoon metaal de beweging belemmeren, maar in cupraten de elektronen helpen om zich tot paren aaneen te sluiten en zonder verlies te bewegen. Juist deze samenhang, en niet de trillingen van ionen, bleek beslissend.
Toch bracht het werk ook een tweede, tot nu toe onbekend 'ingrediënt' aan het licht. Zelfs door de wisselwerking met spins te versterken, is het onmogelijk de recordtemperaturen te bereiken die in andere families van cupraten worden waargenomen. De zoektocht naar de ontbrekende factor wordt nu de belangrijkste opgave voor theoretici.
De resultaten zijn gepubliceerd in Nature Physics en brengen het moment dichterbij waarop hoge-temperatuursupergeleiders kunnen werken bij temperaturen die zonder dure koeling haalbaar zijn. Dat opent de weg naar uiterst efficiënte hoogspanningsleidingen, krachtige magneten voor de geneeskunde en kwantumtechnologieën van de toekomst.
