Kan licht supergeleiding doen ontbranden? Een nieuw onderzoek wakkert het debat opnieuw aan

Korte lichtpulsen kunnen sommige materialen tijdelijk transformeren tot supergeleiders. Een nieuw onderzoek versterkt de zaak voor deze controversiële claim, die meer dan een decennium geleden voor het eerst werd gemaakt. Maar terwijl sommige natuurkundigen overtuigd zijn, blijven anderen sceptisch.

Supergeleiders transporteren elektriciteit zonder weerstand, meestal alleen bij lage temperaturen. Sinds 2011 beweren sommige wetenschappers echter dat bepaalde materialen, wanneer ze worden blootgesteld aan intense, ultrakorte laserpulsen, kortstondig supergeleidend kunnen worden bij temperaturen ver boven hun normale grens, inclusief kamertemperatuur.

Eerdere onderzoeken toonden een tijdelijke verandering in de reflectiviteit van cupraten, verbindingen die koper en zuurstof bevatten, wanneer ze werden blootgesteld aan licht. Deze verandering wees op een vermindering van de weerstand gedurende enkele biljoenste van een seconde, of picoseconden. Critici beweerden dat de verandering veroorzaakt kon worden door andere effecten dan supergeleiding.

Het nieuwe onderzoek slaat terug. Een cupraat stoot magnetische velden af wanneer het wordt blootgesteld aan licht, melden natuurkundige Andrea Cavalleri en collega's op 10 juli in Nature. Deze afstoting, zo zeggen ze, is een kenmerk van supergeleiding dat bekend staat als het Meissner-effect.

De observatie is "basically een onmiskenbaar kenmerk van supergeleiding", zegt natuurkundige Dmitri Basov van de Columbia Universiteit, die niet betrokken was bij het onderzoek.

Niet iedereen is echter zo overtuigd van het nieuwe werk. "Ze zien deze verandering die ongeveer een picoseconde duurt, en het is niet onmiddellijk duidelijk dat het hetzelfde is als het Meissner-effect," zegt natuurkundige Steve Dodge van de Simon Fraser Universiteit in Burnaby, Canada.

Supergeleiders wekken intense interesse van natuurkundigen, deels vanwege hun technologisch potentieel. Een supergeleider die werkt bij hoge temperaturen zou bijvoorbeeld kunnen zorgen voor een efficiëntere stroomoverdracht, en mogelijk enorme hoeveelheden energie besparen. En er zijn nog steeds mysteries rond het fenomeen. Cupraten zijn supergeleidend bij hogere temperaturen dan de meeste, en het is nog steeds niet volledig begrepen waarom.

Wetenschappers wisten dat licht supergeleiding kon verstoren, maar het idee dat licht het ook kan creëren was onverwacht en controversieel. En in eerdere onderzoeken waren "dingen nogal subjectief, ze roken een beetje naar een supergeleider, maar ... je kon niet echt zeker zijn," zegt Cavalleri van het Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter in Hamburg.

Dus Cavalleri en collega's richtten zich op het Meissner-effect. Ze bestudeerden een soort cupraat genaamd yttrium barium koperoxide, of YBCO. Dat is een klasse van verbindingen die eerder tekenen hadden vertoond van licht-geïnduceerde supergeleiding.

Het nauwkeurig meten van magnetische veldveranderingen gedurende picoseconden is geen gemakkelijke opgave. "Geen enkele bestaande techniek staat toe om deze meting te doen," zegt Cavalleri.

Het team ontwikkelde een methode die een kristal van galliumfosfide naast de YBCO plaatste om magnetische velden te meten. In experimenten uitgevoerd binnen een bestaand magnetisch veld, raakten de onderzoekers de YBCO met de laser en stuurden een tweede laser door het kristal. De doorgang door het kristal veranderde de polarisatie van de laser - de oriëntatie van zijn elektromagnetische golven - op een manier die werd bepaald door het magnetische veld binnen het kristal. Dat effect stelde het team in staat om te bepalen hoe het magnetische veld veranderde nabij de YBCO terwijl het werd gebombardeerd met licht op een temperatuur die normaal gesproken boven het supergeleidende limiet van de YBCO ligt.

Als de YBCO een supergeleider werd, zou het magnetische velden van binnenuit afstoten vanwege het Meissner-effect. Dat zou resulteren in een sterker magnetisch veld aan de rand van de YBCO, wat precies is wat het team vond. De metingen moesten zeer snel worden uitgevoerd om het kortstondige Meissner-effect vast te leggen, zegt Basov. "Dit is een briljant concept en briljante uitvoering."

Natuurkundige Nan-Lin Wang van de Universiteit van Peking is ervan overtuigd dat magnetische velden worden afgestoten wanneer de laserpuls de YBCO raakt. Maar of dat supergeleiding impliceert zoals normaal gedefinieerd, is onduidelijk. Het zou kunnen het gevolg zijn van reeds bestaande, kleinschalige supergeleidende stromen die worden versterkt, in plaats van typische grootschalige supergeleiding. "De onderliggende natuurkunde kan zeer gecompliceerd zijn," zegt hij.

Maar Dodge stelt dat iets anders dan supergeleiding verantwoordelijk kan zijn. Bij hoge lichtintensiteiten kunnen complexe en onverwachte verschijnselen optreden. "Ik zou graag ... enige zorgvuldige controle willen zien om ervoor te zorgen dat ze geen ander effect verwarren met een Meissner-effect." Wat precies de verandering in het magnetische veld veroorzaakt is niet duidelijk, zegt Dodge. Hoewel hij nog steeds sceptisch is over de claim van supergeleiding, zegt hij dat "het een waardevol experiment is omdat het enkele vragen oproept waarvan ik zeker het antwoord niet weet."