Wat is supergeleiding

Wat is supergeleiding?
Supergeleiding is het verschijnsel dat elektronen zich zonder weerstand door een geleidend
materiaal bewegen. Een supergeleidende stroom kan in principe bijna oneindig blijven lopen,
zonder verlies en warmteontwikkeling. Er zijn wel duurproeven gedaan met een supergeleidende stroom. Uit de analyse daarvan is geconcludeerd dat het zeker 1017 jaar zou duren eer
een supergeleidende stroom tot de helft van zijn oorspronkelijke waarde is gezakt.
Klassieke supergeleiders
Supergeleiding werd in 1911 in Leiden ontdekt door Kamerlingh Onnes. Hij vond dat de elektrische weerstand van kwik beneden 4,16 graden kelvin plotseling verdwijnt. Er is vele jaren
gezocht naar supergeleiders met een hogere kritische temperatuur. De hoogste waarde werd
gevonden in 1972 bij de verbinding Nb3Ge; die heeft een kritische temperatuur van 23,3 graden kelvin. Deze verbinding hoort tot de legeringen en verbindingen met tenminste één overgangsmetaal als bestanddeel. Hiervoor ligt de kritische temperatuur waarbeneden supergeleiding optreedt theoretisch beneden 30 kelvin. Deze zogenaamde klassieke supergeleiders worden toegepast in bijvoorbeeld MRI-apparaten, in SQUIDs en in magneetspoelen; ze vereisen
koeling met vloeibaar helium.
Keramische supergeleiders
Eind 1986 publiceerden Bednorz en Müller de ontdekking van supergeleiding bij 35 graden
kelvin in een verbinding van koperoxide, barium en lanthaan. Er volgde een wereldwijde
supergeleiderskoorts - waarin de fax die toen net gewoon geworden was hét communicatiemiddel tussen onderzoekers was. In snel tempo werden vergelijkbare keramische verbindingen gevonden waarin bij steeds hogere temperaturen supergeleiding optrad. Een doorbraak
was de verbinding met yttrium in plaats van lanthaan; die heeft een kritische temperatuur van
ongeveer 95 kelvin en dat is boven de temperatuur van vloeibaar stikstof (77 kelvin). Daarmee
leek toepassing op relatief grote schaal opeens binnen handbereik. Het temperatuurrecord
staat op naam van een kwik-barium-calcium-koperoxide onder hoge druk, met een kritische
temperatuur van 164 kelvin. De keramische verbindingen zijn vanuit technisch oogpunt
vreselijk lastig te hanteren materialen. Er zijn inmiddels eerste toepassingen, als dunne lagen
in sensoren.
Wat leidt tot supergeleiding? De BCS-theorie
Hoe supergeleiding ontstaat bleek heel lastig te begrijpen. Pas in 1957 publiceerden Bardeen,
Cooper en Schrieffer een bevredigende theorie (die sindsdien in de natuurkunde als de BCStheorie bekend staat). Kern van de verklaring is de vorming van paren elektronen, naar de
bedenker van dat idee Cooper-paren genoemd.
In een vast metaal zijn de atomen geordend in een ruimtelijk rooster. Daarbij is maar een klein
deel van de ruimte echt gevuld. De buitenste elektronen van de atomen kunnen zich over
grote afstanden vrijelijk door die lege ruimte bewegen. Wanneer een elektrisch veld wordt
aangelegd, bewegen de elektronen gemiddeld één kant uit; dat is elektrische stroom. Normaal
botsen heel wat van die elektronen onderweg tegen de atomen en raken bewegingsenergie
kwijt. De stroom loopt daardoor niet gladjes; er is weerstand.
Als een elektron met zijn negatieve elektrische lading op stap gaat, laat het zijn atoom waar het
oorspronkelijk bij hoorde, als een licht positief geladen ion achter. In een metaal waarin elektronen bewegen zijn dus ook ionen aanwezig. Tegengestelde elektrische ladingen trekken
elkaar aan. Een passerend elektron oefent daardoor een kleine invloed uit op de dichtstbijzijnde ionen. Die trekken iets naar dat elektron toe. Er treden kleine verplaatsingen van
-1-
ionen op. Ze klonteren plaatselijk als het ware samen tot een zogeheten polarisatiewolk. Nu
bewegen de elektronen honderd keer sneller dan de ionen en de polarisatiewolk is pas een feit
als het elektron al lang voorbij is. De elektrisch positief geladen wolk bestaat nog als een volgend elektron in de buurt komt en trekt dat elektron dan aan. De elektronen voor en achter de
polarisatiewolk kunnen worden beschouwd als een paar, het zogeheten Cooper-paar. Overal
in het metaal ontstaan van die paren met een geleidend spoor van polarisatiewolken, waardoor de elektronen ongehinderd kunnen bewegen. Supergeleiding is het gevolg.
De polarisatiewolken kunnen alleen goed ontstaan bij bepaalde kristalstructuren. Daarom
treedt supergeleiding slechts bij bepaalde metalen en metaallegeringen op. Ook moeten door
een lage temperatuur de altijd aanwezige trillingen van de atomen en ionen gedempt worden.
Daarom treedt supergeleiding ook alleen op beneden een bepaalde kritische waarde van de
temperatuur.
Supergeleiding in de nieuwe supergeleiders
De BCS-theorie werkt voor de keramische supergeleiders niet goed. Ook in de keramische
verbindingen vormen zich elektronenparen, maar hoe die paren zich ongehinderd door de
sterk laagsgewijze opbouw van deze verbindingen kunnen bewegen is tot op de dag van vandaag onduidelijk.
Voor magnesiumdiboride lijkt de BCS-theorie wel gewoon te werken, al is het nog volstrekt
onduidelijk waarom dit materiaal supergeleidend is bij temperaturen boven 30 kelvin (het
Ames Lab bij de Iowa State University meldt zelfs 40,2 kelvin met het isotoop boor-10). Aantrekkelijk aan de nieuwe verbinding is natuurlijk wel dat het een goed te verwerken en bewerken materiaal is, zodat er goede hoop op toepassingen bestaat. Er zijn al experimentele dunne
lagen en draden (zie foto) van magnesiumdiboride gemaakt. Of magnesiumdiboride ook
andere supergeleidende soortgenoten heeft, is nog niet duidelijk.
-2-