Nijmegen (NL) – Een internationale groep fysische onderzoekers heeft experimenteel aangetoond dat het uitwendige magneetveld dat een supergeleider op specifieke plekken (wervels) kan binnendringen, zelden een hele fluxwaarde bezit. Een theoretische voorspelling hiervoor bestond weliswaar al veertig jaar, maar geen enkel experiment kon tot nu toe het effect meten.
De groep natuurkundigen uit Nijmegen, Manchester, Antwerpen, Tsjernogolovska en Novosibirsk publiceert zijn verrassende experimentele resultaten in Nature van 7 september 2000. Naast het feit dat wervels minder dan een magnetische-fluxeenheid kunnen bevatten, blijkt ook dat bij het binnendringen van wervels soms meer magneetveld wordt uitgedreven dan er binnendringt. Ook dit laatste was geheel tegen de verwachting in.
Supergeleiders zijn materialen die elektrische stroom geleiden zonder weerstand. We kunnen twee typen onderscheiden. In een type-I-supergeleider kan geen magneetveld aanwezig zijn; het materiaal stoot het magneetveld volledig uit. In deze zogeheten Meissnertoestand kan de supergeleider boven een magneetveld blijven zweven. In een type-II-supergeleider kan een magneetveld, als het sterker is dan een bepaalde kritische waarde, in nauwe bundels door de supergeleider heendringen. Supergeleidende kringstromen bundelen de magnetische veldlijnen op specifieke plekken in het materiaal. Zo’n nauw bosje veldlijnen is enkele tientallen nanometers dik (een nanometer is een miljoenste millimeter). Buiten die bundels blijft het materiaal supergeleidend. De samenballing van magnetische veldlijnen samen met de kringstromen heet een wervel. Ook dit tweede type supergeleider kan zich nog in een Meissnertoestand bevinden.
In 1961 voorspelden John Bardeen en Vitaly Ginzburg – twee grondleggers van de theorie van supergeleiding – dat de hoeveelheid binnendringend magneetveld in een type-II-supergeleider afhangt van de afstand tussen de rand van het materiaal en de wervel. Bovendien zou die hoeveelheid magneetflux (magnetische veldlijnen) kleiner dan één fluxkwantum zijn. Omdat voor deze voorspelling nooit een experimentele bevestiging werd gevonden, ging men ervan uit dat het om een zeldzaam of verwaarloosbaar verschijnsel ging.
Een nieuwe magnetometer in het Hoge Magneetvelden Laboratorium van de Katholieke Universiteit Nijmegen kan nu met grote precisie het magneetveld in een supergeleider meten. De magnetometer kan zelfs een fractie van een magnetische-fluxkwantum nog onderscheiden. Dit bood eindelijk de mogelijkheid om de veertig jaar oude voorspelling van Bardeen en Ginzburg te controleren in een experiment.
In het experiment bleek dat het verschil tussen een gladde en een rafelige rand van het kleine stukje supergeleider bepaalt op welke wijze de wervels vanaf de rand de supergeleider binnendringen: in het eerste geval maten de onderzoekers een onregelmatige toename van het magneetveld; in het tweede geval een stapsgewijze toename. Bij een rafelige rand blijken magnetische veldlijnen nauwelijks via de randen binnen te dringen. De standaardtheorie uit leerboeken – dat wervels een heel fluxkwantum dragen – blijkt nu alleen voldoende ver van de randen (zo’n eentiende millimeter) te gelden. Dichter bij de rand speelt de vorm van de rand een grote rol. De onderzoekers verklaren het verschijnsel uit het feit dat de wervels aan de rand een andere structuur en energieverdeling bezitten dan centraler in het materiaal.
(voor meer achtergrondinformatie over wervels in supergeleiders, zie ook het artikel Gestolde werveling in Natuurwetenschap &Techniek februari 1999)
Bennie Mols
