Schaakborden in supergeleiders

Schaakborden in supergeleiders
Door Vasco Tenner
In de natuur komen simpele geleiders en isolatoren voor. Die kunnen we goed begrijpen. Bij geleiders gaat de weerstand omlaag als te temperatuur daalt, bij isolatoren
gaat de weerstand laag als de temperatuur stijgt. Maken we een iets ingewikkeldere stof
met meerdere elementen, dan hebben die vaak bijzondere eigenschappen. Zo zijn supergeleiders ontdekt. Supergeleiders geleiden niet alleen heel goed, maar erin gebeuren
dingen die bijna nergens anders gebeuren: er ontstaan strepen in en de ladingsdragers
ordenen zichzelf. Hoewel er al sinds de ontdekking verwoed door wetenschappers wordt
gezocht naar een goede, gedetailleerde verklaring is die er nog steeds niet.
Twee jaar geleden heeft Phd Komarek uit Keulen ontdekt dat ladings ordening voorkomt
in perovskieten, net als in supergeleiders. Perovskieten zijn veel eenvoudigere kristallen
dan supergeleiders, dus ook eenvoudiger te begrijpen. Perovskieten hebben een speciale
kristalstructuur en zijn isolatoren. Komarek kan de kristallen geleidend maken door
calcium meer toe te voegen. Bij een bepaalde hoeveelheid calcium doen ze iets heel bijzonders: bij kamertemperatuur gedragen ze zich als een isolator, maar als je ze afkoelt
tot 130K gedragen ze zich plotseling als een geleider. Waarschijnlijk heeft deze overgang
iets te maken met de ladingsordening.
Om die ladingsordening te begrijpen kijken we eerst hoe de perovskieten die Komarek
maakt precies in elkaar zitten. Zijn kristallen bestaan uit erbium, titaan en zuurstof.
Het titaanatoom zit in een kubusvormige kooi van 6 zuurstof atomen. Tussen de kooien
is ruimte voor de erbium atomen. De kristallen zijn nu een isolator. Komarek vervangt
een gedeelte van de erbium atomen met calcium. Calcium atomen hebben één elektron
minder dan erbium en pakken er één af van een titaan atoom. Die titaanatomen hebben
dan een elektron minder en zijn daardoor kleiner. Er zijn nu twee soorten titaanatomen:
grote en kleine titaanatomen. De kleine titaanatomen zitten ook in een kleiner kooitje
en passen daardoor niet meer makkelijk in het rooster.
Elektronen kunnen van titaan naar titaan springen. Hierdoor gaan de kristallen een
beetje geleiden. Als er nu een elektron naar het kleine titaanatoom springt, moet de
titaanatoom en het kooitje weer groter worden. Bewegen van elektronen kost hierdoor
nog veel energie.
Als Komarek ongeveer de helft van de erbium atomen vervangt met calcium atomen
ontstaat er een soort drie dimensionaal schaakbord met om de beurt en kleine en een
groote titaan atoom. In de kristallen zitten nu schuine vlakken waarop enkel grote of
kleine titaanatomen liggen. Elektronen kunnen via die vlakken naar de andere kant en
de perovskiet gedraagt zich als geleider.
Nu zetten we de temperatuur aan. Als het warmer wordt zien we dat op atomaire
schaal alle atomen beginnen te trillen. Als het warm genoeg is, zullen de grote en kleine
titaanatomen zo hard trillen dat de kleine titanen soms een elektron van de grote krijgen.
Het kleine titaanatoom wordt dan groot en het grote klein. De doorlopende vlakken met
dezelfde grootte worden dan verstoord en elektronen kunnen niet meer makkelijk naar
de andere kant. Het kristal wordt daardoor bij hogere temperaturen een isolator.
Maar zo simpel is het niet helemaal. Om precies te weten hoe dat gebeurt hebben we
1
met XPCS, een nieuwe, nog onbekende techniek, naar de samples gekeken. Met XPCS
schijn je met coherente röntgenstralen op de samples en zo kunnen we onder andere zien
hoe groot de gebieden zijn waar de ladingen netjes zijn geordend. Ook snappen we nu
veel beter hoe XPCS werkt en hebben hierdoor weer een klein stapje gezet om soortgelijk
onderzoek te kunnen doen met supergeleiders in plaats van perovskieten.
Figure 1: De grote groene en rode kleine titaanatomen liggen in een schaakbord patroon.
Twee verschillende gebieden worden van elkaar gescheiden door een domeinwand.
2