Hoge-temperatuur-supergeleiders, een revolutionaire klasse van materialen die meer dan vier decennia geleden zijn ontdekt, bieden een enorm potentieel voor technologische vooruitgang. Deze materialen vertonen geen elektrische weerstand, waardoor elektriciteit vrij kan stromen zonder enig energieverlies, zelfs bij temperaturen die aanzienlijk hoger zijn dan die vereist bij conventionele supergeleiders. Hoewel deze opmerkelijke eigenschap al op verschillende terreinen is toegepast, blijft het onderliggende mechanisme achter supergeleiding bij hoge temperaturen een mysterie.
De kern van dit fenomeen ligt in interacties tussen ladingsdragers – deeltjes die verantwoordelijk zijn voor het transporteren van elektrische stroom – waardoor ze moeiteloos door de atomaire structuur van het materiaal kunnen bewegen. Een recent onderzoek uitgevoerd door een internationaal onderzoeksteam bij BESSY II, gepubliceerd in Nature Communications, werpt licht op deze cruciale interacties binnen een specifiek type hoge-temperatuur-supergeleider, cupraatverbindingen genaamd.
Onderzoekers concentreerden zich op La₂CuO₄, een verbinding die bestaat uit afwisselende lagen koperoxide (CuO) en lanthaanoxide (LaO). Wanneer La₂CuO₄ wordt behandeld met extra atomen (gedoteerd), vertoont het supergeleiding onder de 40 Kelvin, waarbij dit supergeleidende gedrag beperkt blijft tot de CuO-lagen. Opvallend is dat de LaO-lagen zelfs onder deze omstandigheden isolerend blijven.
Het team maakte gebruik van een geavanceerde techniek genaamd Auger foto-elektronen-coïncidentiespectroscopie, gekoppeld aan gespecialiseerde röntgenpulsen bij BESSY II. Hierdoor konden ze nauwkeurig de energie meten van ladingsdragerparen – in het bijzonder zuurstofgaten, die in wezen elektronen rond zuurstofatomen missen – in elke laag.
Wat hebben ze ontdekt? De interactie-energieën tussen deze ladingsdragers waren aanzienlijk zwakker in de CuO-lagen (waar supergeleiding optreedt) vergeleken met de isolerende LaO-lagen. Deze bevinding suggereert dat de zwakkere interacties binnen de koperoxidelagen een sleutelfactor kunnen zijn die de vorming van Cooper-paren mogelijk maakt: gebonden elektronenparen die verantwoordelijk zijn voor supergeleidend gedrag.
Dit onderzoek biedt cruciale inzichten in de complexe wisselwerking tussen ladingsdragers en hun interacties in cupraatverbindingen. Hoewel er nog veel onbekend is over supergeleiding bij hoge temperaturen, wijst dit onderzoek op een intrigerend verschil in interactie-energieën dat aanzienlijk zou kunnen bijdragen aan het ontsluiten van het volledige potentieel ervan. Toekomstig onderzoek waarin deze verschillen gedetailleerder worden onderzocht, kan de weg vrijmaken voor het ontwerpen van nog betere supergeleidende materialen met potentieel transformatieve toepassingen in diverse industrieën.
