Dit nieuw ontdekte materiaal lijkt een nieuwe toestand van materie

Het is maar een beetje minder spannend dan het klinkt: er is een nieuwe aggregatietoestand ontdekt. Een internationaal team van onderzoekers, onder leiding van Kosmas Prassidel van de universiteit van Tokohu in Japan, heeft een materiaal ontdekt met een vreemde combinatie van eigenschappen. Het is een isolator, supergeleider, metaal én magneet. In het bijzonder is het interessant dat het materiaal bij hoge temperaturen supergeleidend zou kunnen zijn. Dit is iets waar de wetenschap al lang naar op zoek is en bovendien is het nog een natuurkundig mysterie hoe dit precies kan.

Materie kan vele verschillende aggregatietoestanden aannemen. We kennen allemaal vaste stof, vloeistoffen, gassen en waarschijnlijk ook wel plasma's. Maar daarnaast zijn er nog een hele hoop aggregatietoestanden die wat minder bekend zijn: het Bose-Einsteincondensaat, ontaarde materie, superfluïditeit, quark-gluonplasma, enzovoort. Het grote verschil is dat deze alternatieve toestanden in labomgevingen worden gecreëerd en nauwelijks in de natuur voorkomen. Dat gaat ook op voor de aggregatietoestand die het team van Prassides heeft ontdekt. Het gaat over een kristallijne samenstelling van koolstof-60-moleculen, ook bekend als buckeyballen, gedoopt in rubidiumatomen die de afstand tussen de buckeyballs beïnvloeden. Hierdoor kunnen de eigenschappen van het materiaal gemanipuleerd worden.

Door die manipulatie kunnen we aggregatietoestanden, die we nog nooit hebben gezien, uitlokken. Eén daarvan is het Jahn-Tellermetaal, dat is vernoemd naar het Jahn-Teller-effect, wat een geometrische verstoringen in moleculen koppelt aan de elektrische eigenschappen van het materiaal. Simpel gezegd komt het erop neer dat het mogelijk is om van een isolator een geleider te maken door met drukveranderingen de vorm van het molecuul te veranderen. Zo kan het materiaal bij lage druk een isolator zijn en bij hoge druk een geleider.

De rubidiumatomen zorgen voor die verandering in druk. Meestal wordt er bij drukverandering gedacht aan het samendrukken of uittrekken van een materiaal. Maar het kan ook op een chemische manier door enkele moleculen toe te voegen of te verwijderen, waardoor de afstand tussen de moleculen verandert.

In een Jahn-Tellermetaal zal, zodra druk wordt toegevoegd, wat eerst een isolator was veranderen in een metaal, maar daar zit dankzij het Jahn-Teller-effect een overgangsfase in. Hoewel het materiaal dan qua vorm lijkt op een isolator, kunnen de elektronen toch van het ene molecuul naar het andere overspringen.

"Het verrassende aan de overgang van metaal naar isolator is dat we een tussenfase hebben ontdekt die we nog nooit eerder hebben gezien," aldus Hamish Johnston in Physics World. "De onderzoekers hebben dit een Jahn-Tellermetaal genoemd omdat er met infraroodspectroscopie duidelijk te zien is dat de fulleridemoleculen vervormen als rugbyballen. Dit zien we normaal gesproken alleen bij isolators. Aan de andere kant laten metingen van de kernspinresonantie zien dat de elektronen wel in staat zijn om van het ene molecuul naar het andere te springen. Dit is een kenmerk van een geleidend metaal.

Dit is erg belangrijk omdat de overgang van isolator naar metaal ook een overgang is naar een potentiele supergeleider. Als de temperatuur van het materiaal laag genoeg is, gaan de elektronen paren vormen en kunnen ze vrij door het materiaal bewegen. De elektrische weerstand daalt dan naar exact nul en dat is overduidelijk een erg nuttige eigenschap.

De vorming van elektronenparen, die Cooperparen genoemd worden, is cruciaal voor supergeleiding. Kort gezegd wordt de aantrekkingskracht tussen twee elektronen, die gewoonlijk verwaarloosbaar is, bij lage temperaturen een significant kracht. De elektronen, die elkaar normaal gesproken afstoten, worden opeens naar elkaar toe getrokken. Deze paren "condenseren" dan als één gezamenlijk geaarde energietoestand. In deze toestand kunnen de elektronen alleen nog samen, en niet meer in hun eentje, door het materiaal stromen. Het resultaat is supergeleiding.

Van Jahn-Tellermetalen weten we alleen nog niet wat er precies voor zorgt dat de elektronen paren gaan vormen. In een conventionele supergeleider gebeurt dat door een wisselwerking met fononen, de trillingen in het rooster van het materiaal. Hiervoor zijn extreem lage temperaturen nodig.

Als er binnen Jahn-Tellermetalen een ander mechanisme is waardoor de elektronenparen gevormd worden, betekent dat misschien dat supergeleiding ook mogelijk is bij minder lage temperaturen. Onderzoekers moeten er alleen achter komen wat dat andere mechanisme is. "De relatie tussen de isolator, het conventionele metaal en het elektronen bindende mechanisme van de supergeleider is de belangrijkste vraag om alle onconventionele supergelieders te begrijpen," dat schrijven Prassides et al. in Science Advances.

Het zou dus mogelijk zijn om een optimale moleculaire substructuur voor supergeleiding bij hogere temperaturen "synthetisch te bepalen." Prassides en zijn team concluderen dat, "er een sterke drijfveer is om naar nieuwe moleculaire supergeleidende materialen te zoeken, omdat we nu met synthetische scheikunde nieuwe elektronenstructuren kunnen maken die fundamenteel verschillen van die in atomen en ionen, waar op dit moment de supergeleiders van gemaakt zijn."