Dat blijkt uit onderzoek onder leiding van wetenschappers van de Universiteit van Bristol, dat is gepubliceerd in Science. Deze twee tegengestelde elektronische toestanden bleken voor te komen in de molybdeenverbinding Li₀.₉Mo₆O₁₇, oftewel ‘purple bronze’, een uniek eendimensionaal metaal dat bestaat uit individuele geleidende atoomketens. Uiterst kleine veranderingen in het materiaal, bijvoorbeeld veroorzaakt door een kleine stimulus zoals warmte of licht, kunnen een onmiddellijke overgang veroorzaken van een isolerende toestand met geen enkele geleiding naar een supergeleider met onbeperkte geleiding, en omgekeerd. Deze gepolariseerde veelzijdigheid, die bekendstaat als ‘emergente symmetrie’, kan een ideale aan-uitschakelaar zijn bij toekomstige ontwikkelingen op het gebied van de kwantumtechnologie.
Hoofdauteur Nigel Hussey, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Bristol en hoogleraar bij de Radboud Universiteit: ‘Het is een fantastische ontdekking, die een perfecte schakelaar zou kunnen bieden voor toekomstige kwantumapparatuur.'
Purple bronze
‘De opmerkelijke reis begon dertien jaar geleden in mijn lab toen twee promovendi, Xiaofeng Xu en Nick Wakeham, de magnetoresistentie – de verandering in weerstand veroorzaakt door een magnetisch veld – van purple bronze maten.’
In afwezigheid van een magnetisch veld was de weerstand van purple bronze sterk afhankelijk van de richting waarin de elektrische stroom werd geïntroduceerd. De temperatuurafhankelijkheid was ook tamelijk gecompliceerd. Rond kamertemperatuur lijkt de weerstand op die van een metaal, maar als de temperatuur daalt, keert dit om en lijkt het materiaal in een isolator te veranderen. Daarna, bij de laagste temperaturen, daalt de weerstand weer snel en gaat het materiaal zich gedragen als supergeleider. Maar verrassend genoeg bleek de magnetoresistentie bijzonder eenvoudig te zijn, ondanks deze complexiteit. De magnetoresistentie volgde een perfecte lineaire temperatuurafhankelijkheid vanaf kamertemperatuur tot aan de overgangstemperatuur naar supergeleiding, en daarbij maakte het geen verschil wat de richting van de stroom of het veld was.
Toevallige ontmoeting
‘Omdat de onderzoekers geen coherente verklaring vonden voor dit raadselachtige gedrag, bleven de gegevens zeven jaar lang op de plank liggen en werden ze niet gepubliceerd. Een hiaat als dit is ongebruikelijk in kwantumonderzoek, maar het lag niet aan een gebrek aan statistische gegevens’, licht prof. Hussey toe.
‘Aan zo’n eenvoud in de magnetische respons ligt altijd een complexe oorsprong ten grondslag. Een toevallige ontmoeting bleek de sleutel tot de mogelijke oplossing.’
In 2017, toen prof. Hussey aan de Radboud Universiteit werkte, zag hij een advertentie voor een seminar van de natuurkundige dr. Piotr Chudzinski over het onderwerp purple bronze. In die tijd waren er maar weinig onderzoekers die een heel seminar aan dit weinig bekende materiaal wijdden, dus zijn interesse was gewekt.
‘In het seminar stelde Chudzinski voor dat de weerstandstoename kan worden veroorzaakt door interferentie tussen de geleidingselektronen en nog onontdekte samengestelde deeltjes, die “donkere excitonen” worden genoemd’, aldus Prof Hussey. ‘We spraken elkaar na het seminar en bedachten samen een experiment om zijn theorie te testen. Onze latere metingen bevestigden dit in feite.’
Interactie
Gesterkt door dit succes stofte prof. Hussey de gegevens over magnetoresistentie van Xu en Wakeham af en liet ze zien aan dr. Chudzinski. De twee centrale kenmerken van de gegevens – het lineaire verloop met temperatuur en de onafhankelijkheid van de oriëntatie van stroom en veld – intrigeerden Chudzinski, net als het feit dat het materiaal zelf zowel isolerend als supergeleidend gedrag kon vertonen, afhankelijk van hoe het materiaal was ‘gekweekt’.
Dr. Chudzinski vroeg zich af of het misschien kwam door de interactie tussen de ladingsdragers en de eerder door hemzelf geïntroduceerde excitonen, dat de ladingsdragers – in plaats van volledig in een isolator te veranderen – naar de grens tussen de isolerende en supergeleidende toestand toe bewegen wanneer de temperatuur daalt. Op de grens zelf is de waarschijnlijkheid dat het systeem een isolator of een supergeleider is in feite even groot.
Emergente symmetrie
Prof. Hussey: ‘Zulke fysische symmetrie is een ongebruikelijke toestand. Ontwikkeling van zulke symmetrie in een metaal bij dalende temperatuur, vandaar de term “emergente symmetrie”, zou dan ook een wereldprimeur zijn.’
Natuurkundigen zijn goed bekend met het verschijnsel symmetriebreking: verlaging van de symmetrie van een elektronensysteem bij afkoeling. De complexe ordening van watermoleculen in een ijskristal is een voorbeeld van zo'n gebroken symmetrie. Maar het omgekeerde is uiterst zeldzaam, zo niet uniek. Om terug te komen op de water-ijs-analogie: als je het ijs verder afkoelt, lijkt het alsof de complexiteit van de ijskristallen weer ‘smelt’ tot iets dat net zo symmetrisch en glad is als de waterdruppel.
Dr. Chudzinski, tegenwoordig Research Fellow aan de Queen's Universiteit van Belfast, vertelt: ‘Stel je een goocheltruc voor waarbij een saaie, vervormde figuur verandert in een prachtige, perfect symmetrische bol. Dat is kort gezegd waar het om gaat bij emergente symmetrie. De figuur in kwestie is ons materiaal, purple bronze, en de goochelaar is de natuur zelf.’
Scherpte
Om verder te testen of de theorie klopte, heeft Maarten Berben, een andere promovendus aan de Radboud Universiteit, nog eens honderd afzonderlijke kristallen onderzocht, waarvan sommige isolerend en andere supergeleidend waren.
Prof. Hussey voegt hieraan toe: ‘Met zijn harde werk heeft Maarten het verhaal afgemaakt. Nu werd het duidelijk waarom verschillende kristallen zulke enorm verschillende grondtoestanden vertoonden. In de toekomst zou het mogelijk kunnen zijn om deze “scherpte” in te zetten om schakelaars in kwantumschakelingen te maken waarbij minuscule stimuli grote veranderingen in de schakelaarweerstand teweegbrengen.’
