Toen hij op de goede plek in zijn metingen een piek zag optreden, wist Marijn Versteegh het direct: “Dit is het, dit is heel bijzonder.” De promovendus aan de Universiteit Utrecht had op dat moment iets gezien wat door niemand eerder was waargenomen. Goed, zijn begeleider was niet direct volledig overtuigd, maar na extra experimenten was ook hij om. Versteegh was voor het eerst getuige geweest van zogeheten Cooperparen in een halfgeleider.
Parenvorming
Normaal gesproken denkt men bij ‘Cooperparen’ aan supergeleiders, de bijzondere materialen die bij een bepaalde – veelal zeer lage – temperatuur hun weerstand compleet verliezen. Volgens de BCS-theorie, die zulke supergeleiders beschrijft, verdwijnt de weerstand omdat elektronen paren vormen, de zogenoemde Cooperparen. Bij een voldoende lage temperatuur smelten alle Cooperparen samen tot een collectief dat zich ongehinderd door het hele materiaal kan bewegen: supergeleiding.
Een gat als deeltje?
Een halfgeleider geleidt stroom als elektronen van het atoom waar ze op zitten worden aangeslagen en hun plek verlaten. Op de plek waar het elektron zat, ontstaat een ‘gat’. Er ontbreekt hier negatieve lading (van het elektron), dus je kunt ook zeggen dat het gat een positieve lading voorstelt. Een naburig elektron vult dit gat graag op, maar zodra hij dit doet laat hij zelf een nieuw gat open. Als telkens nieuwe elektronen in een vrijgekomen gat springen, is het net alsof het gat door het materiaal beweegt. Het gat is dus geen positief geladen deeltje, maar het gedraagt zich wel zo.
Dat Cooperparen ook in een halfgeleider kunnen vormen is bijzonder. Een halfgeleider is een heel ander soort materiaal. Het zit qua stroomgeleiding tussen een geleider en een isolator in. De manier waarop stroom beweegt is ook anders. Als elektronen gaan bewegen door het materiaal doen ze zogeheten ‘gaten’ ontstaan, fictieve deeltjes met positieve lading (zie kader). De Cooperparen in een halfgeleider zijn dan ook anders: in plaats van paren elektronen gaat het in dit geval om paren van elektronen en hun gaten.
“Al bijna vijftig jaar bestaan theorieën dat een elektron en een gat in een halfgeleider óók Cooperparen kunnen vormen”, zegt Versteegh. Hij berekende – samen met zijn masterstudent Arjon van Lange – op basis van de theorie uit bij welke temperatuur Cooperparen kunnen ontstaan in de halfgeleider zinkoxide, een materiaal dat bekend staat om zijn sterke wisselwerking tussen elektronen en gaten. “Het bleek dat dit al bij 4 Kelvin (-269 graden Celsius) gebeurde, dat leek ons best goed bereikbaar”, aldus Versteegh.
Uitzenden licht
Versteegh en Van Lange koelden een zinkoxidekristal af tot deze lage temperatuur en beschenen het vervolgens met laserpulsen van hoge intensiteit. Hierdoor raakten elektronen aangeslagen, waardoor de gewenste mengelmoes van elektronen en gaten ontstond.
De Cooperparen die ze vervolgens vormden leiden niet zoals in supergeleiders tot supergeleiding, maar tot het uitzenden van licht. De golflengte en intensiteit van het licht dat Versteegh waarnam, kwam exact overeen met wat hij op basis van zijn berekeningen verwachtte.
Deze ‘lichtemissie’ ontstaat doordat één zo’n Cooperpaar snel ophoudt te bestaan en het elektron terugvalt in het gat. Als dat gebeurt zendt het een beetje licht uit, dat op zijn beurt andere paren aanzet om terug te vallen, ook onder uitzending van licht. Opgeteld zorgt dit voor een lichtbundel van hoge intensiteit.
Uit de golflengte van de lichtbundel kon Versteegh bewijzen dat het hier om Cooperparen ging, en niet om de meer gebruikelijke excitonen: paren van elektronen en gaten die kunnen ontstaan bij kamertemperatuur.
Het raadsel supergeleiding
Deze ontdekking kan volgens de promovendus van nut zijn bij het probleem van hoge-temperatuur supergeleiding. In bepaalde keramische materialen vindt supergeleiding bij relatief hoge temperaturen plaats, maar natuurkundigen slagen er maar niet in een sluitende verklaring hiervoor te vinden. Cooperparen in halfgeleiders geven mogelijk een nieuwe invalshoek voor het probleem. “De Cooperparen in halfgeleiders beschrijf je met dezelfde theorie en met dezelfde vergelijkingen”, zegt Versteegh. “Bovendien zijn halfgeleiders veel prettiger om mee te werken dan de moeilijk handelbare keramische materialen. En de uitzending van licht is eenvoudig te meten.”
Supergeleidingsexperts die het een aantrekkelijk idee vinden, moeten wel één ding realiseren: de Cooperparen die Versteegh heeft waargenomen zijn ‘ongecondenseerd’, dat betekent dat ze nog niet het collectief vormen zoals Cooperparen in supergeleiders doen als ze zonder weerstand gaan bewegen. Het laten condenseren van de Cooperparen is dan ook het volgende plan. Als dat lukt zou de ‘Cooperpaar-laser’ een feit zijn.
Marijn Versteegh promoveert vandaag aan de Universiteit Utrecht op het proefschrift ‘Electron-hole quantum physics in ZnO’.
Lees meer over supergeleiding en Cooperparen op Kennislink:
Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/supergeleiding.atom", “max”=>"10", “detail”=>"minder"}