Supergeleiding: de natuurlijke weg van de minste weerstand

Supergeleiding: de natuurlijke weg van de minste weerstand
Prof. Kristiaan Temst
Instituut voor Kern- en Stralingsfysica
Departement Natuurkunde en Sterrenkunde
K.U.Leuven
Universiteit Derde leeftijd, 15 mei 2007
In 1987 liep er een golf van grote opwinding doorheen de wetenschappelijke
gemeenschap door de ontdekking van de zogenaamde ‘hoge-temperatuur
supergeleiders’. Deze nieuwgevonden materialen werden supergeleidend bij
veel hogere temperaturen dan de tot dan gekende supergeleidende materialen.
Plotseling hoopte men allerlei nieuwe mogelijkheden voor toepassingen te
kunnen realiseren, met zwevende treinen en verliesloos transport van energie als
meest markante voorbeelden. Twintig jaar na deze cruciale ontdekking tracht
deze les een inleding te geven tot het fenomeen supergeleiding, de toepassingen
ervan, het huidige onderzoek en we trachten een algemene bilan op te maken.
Supergeleiding werd in 1911 ontdekt door de Nederlandse natuurkundige Heike
Kamerlingh-Onnes. Zoals vaker het geval is, was dit een toevallige ontdekking.
In het begin van de twintigste eeuw was er een grote wetenschappelijke
belangstelling om de eigenschappen van de materie te bestuderen bij lage
temperaturen (d.w.z. kort bij het absolute nulpunt van nul graden Kelvin,
hetgeen overeenstemt met min 273 graden Celsius). Kamerlingh-Onnes had een
grote doorbraak bereikt in zijn laboratorium te Leiden door als eerste heliumgas
vloeibaar te maken. Vloeibaar helium heeft een temperatuur van slechts vier
graden Kelvin en was (en is nog steeds) bijgevolg een uitstekend koelmiddel om
dergelijke studies uit te voeren. Kamerlingh-Onnes wilde de elektrische
weerstand van kwik opmeten bij lage temperaturen. De elektrische weerstand
wordt veroorzaakt door de botsing van elektronen met de atoomkernen in een
vaste stof. Deze weerstand leidt tot het gekende fenomeen dat een lamp warm
wordt wanneer er stroom doorheen loopt.
Toen Kamerlingh-Onnes de
elektrische weerstand van kwik wilde meten bij lage temperatuur, merkte hij tot
zijn grote verbazing dat onder een bepaalde kritische temperatuur de weerstand
nul werd. Daarna werd ontdekt dat andere materialen, zoals lood, aluminium,
niobium, hetzelfde verschijnsel vertonen.
Bijna twintig jaar later werd een volgend belangrijk puzzelstukje ontdekt,
namelijk dat een supergeleidend materiaal een uitwendig magneetveld tracht af
te schermen, een verschijnsel dat perfect diamagnetisme genoemd wordt. De
meest frappante manifestatie van dit verschijnsel is dat een supergeleider kan
zweven boven een magneet en vice versa. Een toepassing hiervan is de
supergeleidende zweeftrein die we in de les nader zullen bekijken.
Hoe kan supergeleiding nu verklaard worden? Het is de verdienste geweest van
meerdere theoretische natuurkundigen om een microscopische verklaring van
supergeleiding te construeren. Een eerste fenomenologische theorie werd
opgebouwd door Landau en later werd dit vervolmaakt in de microscopische
theorie van Bardeen, Cooper en Schrieffer, die de Nobelprijs natuurkunde kregn
voor hun werk. Opmerkelijk in de BCS-theorie is het feit dat er gepostuleerd
wordt dat de elektronen in een supergeleider zich niet meer gedragen als
onafhankelijke deeltjes die regelmatig botsen met de atoomkernen, maar zich
gaan groeperen in paren, de zogenaamde Cooperparen. Dat betekent dat er een
effectieve aantrekkingskracht tussen de twee elektronen van een paar ontstaat en
dat de elektronen van een Cooperpaar mekaar over een welbepaalde afstand
blijven ‘voelen’.
In de loop van de jaren werden regelmatig nieuwe elementen en legeringen
ontdekt die supergeleiding vertonen. Een belangrijke handicap voor mogelijke
toepassingen bleef echter dat ultralage temperaturen noodzakelijk zijn om het
fenomeen op te wekken. De ontdekking in 1986-1987 van een nieuwe klasse
materialen met supergeleidende eigenschappen was dan ook een evenement van
de eerste orde. Deze materialen werden namelijk supergeleidend wanneer ze
afgekoeld werden met vloeibare stikstof, hetgeen heel wat eenvoudiger en
goedkoper is dan het gebruik van vloeibaar helium. De nieuwe supergeleiders
zijn keramisch van aard en worden supergeleidend onder ongeveer 90 graden
kelvin. Eén van de belangrijkste voorbeelden is het materiaal YBa2Cu3O7.
Nadelig aan deze materialen is echter precies hun keramische structuur, zodat ze
erg broos en breekbaar zijn.
Wat is dan de huidige toestand van toepassingen en onderzoek van
supergeleiding?
Ondanks het feit dat er heel veel materiaaltechnische
problemen moesten opgelost worden, heeft supergeleiding een vaste positie
ingenomen in een aantal toepassingen. De afwezigheid van elektrische
weerstand laat toe om spoelen te maken die zeer hoge magneetvelden kunnen
opwekken. Dit is cruciaal voor de medische beeldvormingsapparatuur die in
bijna elk ziekenhuis aangetroffen wordt. De meest in het oog springende
toepassing is zonder enige twijfel de ‘levitatie-’ of zweeftrein, waarvan een aantal
prototypes bestaan. Zo’n trein zweeft boven de bedding door de aanwezigheid
van een supergeleider in de trein en van een magnetisch ‘spoor’ in de bedding.
De toekomst zal moeten uitwijzen of er een voldoende groot economisch en
sociaal draagvlak bestaat om dit verder uit te werken.
Het onderzoek naar
supergeleiding richt zich meer en meer op de fundamentele oorzaak ervan. Er
wordt bijvoorbeeld onderzocht of supergeleiding nog kan optreden in
ultrakleine deeltjes (met afmetingen van slechts enkele nanometer) en of er een
‘vreedzame coëxistentie’ mogelijk is tussen een supergeleider en een magneet.
Die voortdurende uitdagingen zorgen er voor dat supergeleiding, na bijna een
eeuw, nog niets van zijn frisheid en aantrekkelijkheid als onderzoeksobject
verloren heeft!