Dit is het vervolg op 100 jaar supergeleiding – Deel I : de ontdekking

Wat is supergeleiding?

Normale metalen geleiden een elektrische stroom goed, maar altijd met een zekere weerstand, waardoor er verlies door warmteproductie optreedt. Daarentegen geleidt een isolator zoals hout of plastic de stroom zeer slecht of niet. Maar een supergeleider heeft een weerstand van precies nul. Het is een perfecte geleider. Zo is het aangetoond dat een eenmaal opgewekte stroom in een supergeleider maandenlang kan blijven lopen zonder dat er verlies optreedt! Daarnaast vertonen supergeleiders het zogenaamde Meissner-effect: een supergeleider verdrijft een magnetisch veld helemaal naar buiten. Dit laatste effect wordt mooi gedemonstreerd door zwevende magneetjes, en moet uiteindelijk tot MagLev-treinen leiden.

Supergeleiders worden daarom inmiddels voor meerdere toepassingen gebruikt. Doordat er grote stromen zonder warmteontwikkeling kunnen lopen, zijn ze bij uitstek geschikt voor het opwekken van grote magneetvelden. Dit gebeurt onder meer in MRI-scanners en bij deeltjesversnellers als de LHC. Eenieder zal ook meteen aan transport van elektriciteit denken, aangezien normale kabels toch voor zo’n 5-10% verlies zorgen over lange afstanden. Inmiddels zijn supergeleidende kabels commercieel beschikbaar. Andere toepassingen zijn in zeer gevoelige detectoren van magneetvelden en als hoge-kwaliteitsfilter van elektrische signalen, in bijvoorbeeld GSM-masten.

De meeste van deze toepassingen zijn pas vrij recent ontwikkeld. Supergeleiding treedt namelijk alleen op bij zeer lage temperaturen. Lang was het record niet hoger dan zo’n 20K (-253°C), inmiddels zijn er supergeleiders die het tot ongeveer 140K (-133°C) doen. Eén van de belangrijkste vraagstukken op dit moment is wat de hoogst mogelijke temperatuur is waarbij supergeleiding nog optreedt, en of deze een fundamentele bovengrens heeft. Waarbij kamertemperatuur een magische grens is omdat je dan supergeleidend materiaal kan gebruiken zonder het te hoeven koelen.

Waarom is supergeleiding interessant?

Ik wil hier niet te diep ingaan op hoe supergeleiding werkt, met name omdat dit pas in de jaren ’50 van de twintigste eeuw bevredigend is opgeschreven, en er ook nog essentiële vragen open staan. Er zijn meerdere goede introducties beschikbaar. In twee zinnen: in gewone metalen wordt de lading ruwweg gedragen door elektronen, die continu tegen het onderliggende metaalrooster botsen wat tot opwarming leidt. In een supergeleider verbinden de elektronen zich tot zogenaamde Cooper-paren, die de bijzondere eigenschap hebben zich als collectief te gedragen waarbij er geen botsingen met het rooster meer zijn. Het is een puur quantummechanisch effect zonder directe evenknie in onze belevingswereld; het heeft echter weer veel weg van laserlicht, waarin alle lichtgolven ook als collectief opereren.

Naast de mogelijke technologische toepassingen, is supergeleiding een razend interessant studie-object. Supergeleiding is de eerst gevonden manifestatie van zulk collectief quantumgedrag. Vaak wordt quantummechanica uitgelegd als de theorie van het allerkleinste, zoals elementaire deeltjes en individuele atomen. Maar quantummechanica heeft veel verder strekkende gevolgen: het verklaart de essentie van “rigiditeit”, het verschijnsel dat wanneer ik tegen de ene kant van een tafel duw, de andere kant in beweging komt. Hetzelfde geldt binnen een supergeleider: alle Cooper-paren gedragen zich als één geheel, en door er een elektrische spanning over te zetten breng je dat geheel in beweging. Je kunt een supergeleider dus gebruiken om te leren over de subtiliteiten van quantummechanica.

Een andere parallel is die met het Higgs-mechanisme. Iedereen heeft inmiddels wel eens van de zoektocht naar het Higgs-boson gehoord, waarvoor sinds ruim een jaar de LHC van CERN bij Genève operationeel is. Dit Higgs-boson heeft interactie met andere elementaire deeltjes als quarks, waardoor deze massa verkrijgen. Dit lijkt ver weg te staan van de kleine laboratoria met brokjes supergeleider. Maar het Meissner-effect is in feite ook een Higgs-mechanisme: elektromagnetische golven (zoals licht en magneetvelden) bestaan uit massaloze deeltjes genaamd fotonen. In een supergeleider hebben de fotonen echter een dusdanige interactie met de collectieve Cooper-paren, dat ze een effectieve massa verkrijgen. Hierdoor kunnen ze niet meer ongestoord verder reizen, en daardoor niet in de supergeleider doordringen. Op deze wijze worden magneetvelden naar buiten gedrukt. Supergeleiders kun je dus ook gebruiken om bepaalde details van het Higgs-mechanisme te bestuderen.

Meer informatie online

Achtergrond

Evenementen


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