Komende vrijdag is het 100 jaar geleden dat er in Leiden het fenomeen supergeleiding ontdekt werd. Hieronder deel I over de ontdekking; deel II over de achtergrond en de toepassingen lees je hier.

Precies 100 jaar geleden, op 8 april 1911, konden Heike Kamerlingh Onnes en zijn medewerkers in het natuurkundig laboratorium aan het Steenschuur te Leiden hun ogen niet geloven. Bij het meten van de elektrische weerstand aan kwik verdween die weerstand plotseling toen het kwik afgekoeld werd tot 4.2 graden boven het absolute nulpunt (-273°C). Onnes had het fenomeen van supergeleiding ontdekt. Deze extreme temperatuur kon hij realiseren doordat hij kort daarvoor als eerste ter wereld het edelgas helium tot vloeibare toestand had gedwongen. Hiervoor werd hij in 1913 beloond met de Nobelprijs.

Om deze historische gebeurtenis in de natuurkunde te vieren worden dit jaar over de hele wereld evenementen en activiteiten georganiseerd. En aanstaande vrijdag zal op de plaats van de ontdekking zelf, in Leiden, een speciaal symposium gehouden worden om de ontdekker en zijn nalatenschap te eren. Maar wat is supergeleiding eigenlijk, waarom is het zo’n bijzonder verschijnsel en hoe kwam de ontdekking tot stand? Over dat laatste kwam pas dit jaar echte duidelijkheid.

Heike Kamerlingh Onnes

Heike Kamerlingh Onnes (1853 – 1926) was een Groninger die in 1882, drie jaar na zijn promotie, in Leiden een aanstelling tot hoogleraar aanvaarde door een oratie met de ambitieuze titel “De annunciatie van de moderne experimentele fysica in Nederland”. Onnes had een visie om lichte gassen vloeibaar te maken en daardoor zeer lage temperaturen te bereiken, en zette meteen alle middelen in om dat te bewerkstelligen. Door seculiere en wetenschappelijke tegenslagen werd hij net gescoopt door James Dewar te Londen die als eerste de vloeibare vorm van waterstof produceerde in 1898. Onnes had echter grotere plannen, en richtte zijn laboratorium, gevestigd op de plek waar in 1807 de buskruitramp plaatsvond, zo in dat er op grote schaal vloeibare lucht (stikstof) en waterstof konden worden geproduceerd. Hiermee konden talloze experimenten bij lage temperaturen gedaan worden, én onderzoek naar het vloeibaar maken van het laatste nog niet bedwongen gas: helium.

Omdat helium een edelgas is, en dus weinig interacties met andere stoffen en zichzelf aangaat, wordt het pas bij zeer lage temperatuur vloeibaar. Onnes wist waar hij mee bezig was en zette een haast industriële productielijn op om die te bereiken, waar zijn concurrenten veel amateuristischer apparatuur hanteerden. Zo richtte hij de nog altijd actieve Leidse Instrumentmakers School op om de juiste glazen en metalen onderdelen te fabriceren. Na meer dan 25 jaar lukte het dan in 1908 om helium vloeibaar te krijgen. Dat de rigoreuze en professionele aanpak noodzakelijk was, blijkt uit het feit dat het tot 1923 duurde tot een ander laboratorium in Toronto lukte om, na aanwijzigen van Onnes, ook vloeibaar helium te maken. Nog altijd is Leiden één van de weinige universiteiten ter wereld die een eigen heliumliquefactor hebben.

De ontdekking van supergeleiding

Alle materialen hebben eigenschappen die variëren met af- of toenemende temperatuur; zo bevriest water bij 0°C. En met het vloeibare helium konden nieuwe experimenten gedaan worden bij temperaturen die daarvoor nooit gerealiseerd waren. Eén van de uitstaande vragen was het gedrag van elektrische weerstand van metalen bij deze lage temperaturen. Normaliter is die weerstand rechtevenredig met de temperatuur, net als de druk van een gas, een fenomeen dat tot de voorspelling van het absolute nulpunt leidde. Maar er waren afwijkingen van deze wetmatigheid gevonden bij lage temperaturen. Er waren drie theorieën in omloop:

  1. Bij lage temperatuur “condenseren” de elektronen op het metaalrooster, waardoor ze niet meer kunnen bewegen. De weerstand gaat naar oneindig groot.
  2. De totale weerstand bestaat uit een elektronendeel, en een restweerstand met andere origine. Bij lage temperatuur gaat de weerstand naar een kleine maar niet-nul waar
    de.
  3. Het onderliggende metaalrooster is verantwoordelijk voor de weerstand. Bij lage temperatuur verdwijnen de trillingen daarvan, en derhalve zal de weerstand naar nul ga
    an.

Hier is een figuur met het kwalitatieve gedrag van de weerstand volgens deze theorieën (de stippellijn geeft een rechtevenredig verband weer):

weerstand bij lage temperatuur

Onnes liet een gecompliceerd buizenstelsel ontwikkelen, waarin kwik, dat door destillatie tot zeer zuivere vorm te krijgen is, met vloeibaar helium afgekoeld kon worden. Met platinadraden kon een stroom door het kwik gestuurd worden en zo de weerstand gemeten. Hieronder zijn de originele resultaten van Onnes over de bovenstaande figuur
gelegd:

weerstand kwik bij lage temperatuur

Vanaf hoge temperaturen wordt eerst de rechte lijn mooi gevolgd, maar bij zo’n 4.2K (-269°C) valt de weerstand tot een niet waarneembaar niveau. Dit plotselinge verdwijnen van de weerstand kwam dus duidelijk met geen enkel van de bestaande modellen overeen, en moest wel een nieuw natuurverschijnsel betekenen. Heike Kamerlingh Onnes en zijn medewerkers Gilles Holst en Cornelis Holsman hadden wat Onnes twee jaar later “suprageleiding” noemde, ontdekt.

Een ontdekking over de ontdekking

Jarenlang zijn de details over de precieze totstandkoming van de metingen onduidelijk geweest: het labjournaal leek zoek, en er waren geruchten al zou Onnes niet aanwezig zijn geweest op het moment dat de weerstand verdween. Men dacht aan kortsluiting als verklaring van de verdwijnende weerstand, en pas toen zijn assistent in slaap gevallen zou zijn waardoor de temperatuur opliep en de weerstand plots weer terug kwam, accepteerde men de metingen. Dit soort verhalen zijn natuurlijk prachtig, maar ook snel geboren en makkelijk doorverteld.

Met de aanstaande viering van de 100e verjaardag van supergeleiding op het programma, besloot prof. Peter Kes van het huidige Kamerlingh Onnes laboratorium de oude notitieboekjes van Onnes nog eens door te spitten. Onnes had een verkeerd jaartal, 1910 in plaats van 1911, bij een ander experiment genoteerd, waardoor op de omslag de aanduiding ’1909-1910′ was komen staan. Kennelijk heeft men het boekje zelf niet verder ingekeken. Het verslag van de betreffende 8 april is dus wel degelijk bewaard. Hieruit blijkt dat Onnes zeker bij de experimenten aanwezig was. Hij volgt de koeling van het helium, en schrijft om vier uur ‘s middags de historische woorden: Kwik nagenoeg nul.

Tevens ziet Onnes dat bij een lagere temperatuur van ongeveer 2K (-271°C) het helium plots helemaal stil is komen te staan, het borrelt niet meer. Hij noteert:

Opgemerkt moet nog worden, dat juist voor het bereiken van de laagste temp. Het koken plotseling ophield en vervangen werd door een verdampen, waarbij de vloeistof duidelijk zichtbaar wegslonk, een opvallend sterke verdamping aan ‘t oppervlak dus.

Dit is een ander belangrijk quantumverschijnsel dat we nu als superfluïditeit kennen. Het is wel karakteristiek voor Onnes dat zijn rechtlijnige en autoritaire denken hem beletten het belang hiervan te onderkennen, en het verschijnsel nader te onderzoeken. De ontdekking, dat wil zeggen, ook het benoemen van deze toestand, is vervolgens pas in 1937 gedaan.

Lees hier Deel II over de achtergrond en toepassingen van supergeleiding


Aron Beekman is promovendus theoretische natuurkunde aan de Universiteit Leiden (http://www.lorentz.leidenuniv.nl/~aron/)