In supergeleidende materialen kunnen elektronen tweetallen vormen. Maar zijn ze ook sociaal genoeg om viertallen te vormen? Nieuwe experimentele resultaten wijzen erop dat deze elektronen-vierlingen inderdaad bestaan.
De onderling verbonden elektronen-viertallen zijn recent voor het eerst waargenomen in een supergeleidend ijzerhoudend materiaal met de pakkende naam: Ba1−xKxFe2As2. De meetresultaten verschenen in het vakblad Nature Physics, twintig jaar nadat het bestaan van de viertallen voorspeld werd door de theoretisch natuurkundige Egor Babaev.
Cooperparen
Elektronen stoten elkaar onder normale omstandigheden af. In specifieke materialen, bij extreem lage temperaturen, verandert dat. Dan kunnen elektronen tweetallen vormen die aan elkaar gebonden zijn. Deze zogeheten cooperparen bewegen samen vrijwel wrijvingsloos door het materiaal. Elektriciteit kan via deze elektronenparen zonder energieverlies door het materiaal bewegen. Dergelijke supergeleidende materialen hebben allerlei praktische toepassingen, zoals in MRI-scanners of quantumcomputers.
Babaev las tijdens zijn afstuderen een boek over deze cooperparen in supergeleiders, en vroeg zich af of de elektronen ook vierlingen zouden kunnen vormen. ‘Als je de standaardboeken over supergeleiding leest, dan krijg je de indruk dat dat compleet onmogelijk is’, mailt Babaev vanuit het KTH Royal Institute of Technology in Stockholm. Jaren later, terwijl hij werkte aan een ogenschijnlijk ongerelateerd vraagstuk in de deeltjesfysica, realiseerde hij zich dat er bij bepaalde temperaturen wel degelijk elektronen-viertallen kunnen vormen.
Maat het is niet eenvoudig. Er is meer nodig dan simpelweg twee cooperparen combineren in een supergeleider. De elektronen-vierlingen vormen alleen in materialen en onder omstandigheden waarbij geen supergeleidende cooperparen kunnen ontstaan, maar waar de elektronen wel in staat zijn aan elkaar te koppelen tot viertallen. Acht jaar geleden voorspelde Babaev dat er een materiaalsoort bestaat waarin dit mogelijk is.
Keihard bewijs
Dat materiaaltype is tien jaar geleden ontdekt. Onderzoekers onder leiding van Vadim Grinenko, van de Technische Universtät Dresden, waren in 2018 bezig om de eigenschappen ervan onder verschillende omstandigheden in kaart te brengen. De uitkomsten van een aantal metingen konden ze niet verklaren met de bestaande theorieën over supergeleiders. ‘Ik wist niet hoe ik die experimentele metingen moest interpreteren’, mailt Grinenko. ‘Daarom benaderde ik in 2018 Babaev tijdens een conferentie.’
‘Toen Vadim beschreef wat hij zag in Ba1−xKxFe2As2, realiseerde ik me meteen dat het de eerste tekenen van de vierlingen konden zijn’, vult Babaev aan. Al snel kwamen de onderzoekers erachter dat de voorspellingen van Babaev klopten met wat Grinenko zag in zijn experimenten. Maar ‘eerste tekenen’ waren niet genoeg. Er was keihard bewijs nodig. De meeste natuurkundigen dachten namelijk dat deze viertallen niet kunnen bestaan, zegt Babaev.
Tijd omkeren
De onderzoekers zijn nu drie jaar en veel internationale experimenten en samenwerkingen verder. Hun meetresultaten zijn inmiddels overtuigend genoeg om met de wereld te delen. Hun belangrijkste argument is dat materialen met elektronen-vierlingen de tijdsymmetrie breken. Veel natuurwetten zijn tijdsymmetrisch: als je de tijd omdraait in de wiskundige formules, dan beschrijft dat een situatie waarin alles op een fysisch logische manier in omgekeerde volgorde plaatsvindt.
Supergeleiders zijn tijdsymmetrisch. Ze blijven in dezelfde supergeleidende toestand als je de tijd omdraait. De cooperparen bewegen de andere kant op, maar het zijn nog steeds cooperparen die wrijvingsloos door het materiaal bewegen. Dit gaat niet op voor het materiaal waar de viertallen in ontstaan. De toestand van het systeem verandert als je de tijd (wiskundig) omkeert.
Hoe deze toestand zich precies gedraagt en wat voor eigenschappen materialen met elektronen-viertallen kunnen hebben, moet nog verder onderzocht worden. Maar de onderzoekers zijn hoopvol. Ze verwachten dat er nieuwe toepassingen en inzichten uit voort zullen komen die verder gaan dan wat we nu weten over materialen.
