In 1911 ontdekte Kamerlingh-Onnes bij toeval het fenomeen supergeleiding. Het bleek dat kwik vlak boven het absolute nulpunt (0 Kelvin, oftewel -273 Celsius) zonder weerstand stroom kan geleiden. Hierdoor kan energie praktisch zonder verlies getransporteerd worden. Stel dat dat zou kunnen bij kamertemperatuur. Dat zou een geweldige vooruitgang zijn, met veel technische mogelijkheden. Maar helaas bestaat zo’n supergeleider (nog) niet, onder andere omdat we niet goed begrijpen hoe supergeleiding werkt. Toch snappen we steeds meer, door stoffen bij een temperatuur van picoKelvins te bestuderen.

Temperatuur is een maat voor hoeveel deeltjes bewegen. Hoe meer beweging, des te hoger de temperatuur. Om die reden bestaat er het absolute nulpunt: dan staat alles stil. Vandaag de dag bestaat er een bepaald type supergeleider dat ‘al’ bij 130 K (-143 C) supergeleidend wordt, maar van dat materiaal begrijpen we nog te weinig. De microscopische structuur van zo’n supergeleider is lastig te bestuderen omdat het niet goed mogelijk is de individuele deeltjes in een vaste stof te zien.

Nu is het zo dat het fenomeen van supergeleiding ook op een andere manier bestudeerd kan worden. Als de dichtheid van de vaste stof sterk verlaagd wordt, zo laag dat het een gas is geworden, kan het vergelijkbare eigenschappen vertonen. Het heet dan superfluïditeit. Door de lage dichtheid is het mogelijk de individuele atomen te zien en daardoor de microscopische structuur te bestuderen. Uiteraard zit er een keerzijde aan dit verhaal, namelijk dat de temperatuur waarbij het gas supervloeibaar wordt veel lager is dan in de vaste stof, namelijk rond 1 microKelvin (0.000001 K). Ook al is deze kritische temperatuur vele malen lager, het biedt wel de mogelijkheid de microscopische structuur te bekijken en te manipuleren. Hierna is het hopelijk mogelijk deze kennis ‘terug te schalen’ om een vaste stof te maken die supergeleidend is bij kamertemperatuur.

In laboratoria over de hele wereld kunnen tegenwoordig deze bizar lage temperaturen routinematig bereikt worden, maar het is nog niet koud genoeg. In het begrip van de supergeleiders speelt een bepaalde magnetische toestand namelijk een belangrijke rol. Voor specifieke condities wordt verwacht dat de atomen waaruit het gas bestaat zich ordenen in een schaakbord patroon. Maar deze ‘anti-ferromagnetische’ toestand komt pas voor als het gas echt koud is. De temperatuur waarbij dit moet gaan gebeuren is 100 picoKelvin (0.0000000001 K). Afgelopen zomer zijn een aantal belangrijke experimenten gedaan die de realisatie van de anti-ferromagnetische toestand dichterbij brengen. Zo zijn er op het MPQ in Duitsland en op Harvard in de VS experimenten gedaan waarbij bij een gas van atomen daadwerkelijk elk atoom onafhankelijk gezien kan worden. Daarnaast zijn er op de ETH in Zwitserland en op MIT in de VS technieken ontwikkeld waarmee het mogelijk is zo’n schaakbord patroon te detecteren. En weer een ander experiment op MIT heeft de laagste temperatuur ooit gemaakt, namelijk 350 picoKelvin; nog maar een factor 3.5 ‘warmer’ dan de verwachte kritische temperatuur!

Het zijn spectaculaire experimenten om onze kennis over de anti-ferromagnetische toestand te vergroten. Maar de werkelijke doorbraak – een supergeleider bij kamertemperatuur – kan nog wel een tijd op zich laten wachten, en dit nieuws zal te zijner tijd zeker breed uitgemeten worden.

Dit stuk verscheen ook in de Groene Amsterdammer, nummer 35 / 1 September 2010