Supergeleidende materialen zouden ons dagelijks leven binnenkort wel eens volledig kunnen veranderen. Denk daarbij aan elektrische apparaten die nauwelijks stroom verbruiken, of zwevende hogesnelheidstreinen. Ook de Hyperloop van Elon Musk (en anderen) zou hiervan kunnen profiteren.
Zwevende treinen met extreem sterke supergeleidende magneten zouden een goedkoop en ultrasnel transportmiddel kunnen worden, zegt professor Neven Barišić van het Instituut voor Solid State Physics aan de TU Wenen. “Supergeleiders zijn perfecte diamantmagneten en zouden de beste technologie zijn om een trein te laten zweven. Maar we hebben nog steeds moeite om materialen te vinden die gemakkelijk en goedkoop kunnen worden aangepast aan de technische vereisten. Hoe dan ook: het begrijpen van hoge temperatuur supergeleiders is zeker een stap in de goede richting en het Hyperloop-project zou er veel baat bij hebben.”
Neven Barišić doet onderzoek naar supergeleiders. Zijn recent gepubliceerde resultaten brengen de productie van supergeleidend materiaal dichterbij.
Supergeleiders
Conventionele elektrische systemen zijn gebaseerd op componenten zoals kabels en draden en deze hebben een bepaalde elektrische weerstand. Er zijn echter ook materialen waar dit niet het geval is – in ieder geval bij zeer lage temperaturen. Dit zijn zogenaamde supergeleiders. Dit zijn materialen waarvan de elektrische weerstand abrupt tot nul daalt wanneer de temperatuur onder een kritisch niveau komt. Metalen hebben onder andere deze eigenschap.
Het produceren van materialen die zelfs bij kamertemperatuur geleidend blijven, zou een wetenschappelijke doorbraak zijn. Onderzoek op het gebied van zogenaamde “hoge temperatuur supergeleiders” is echter moeilijk omdat veel kwantumeffecten van supergeleiding nog niet voldoende begrepen worden.
Barišić: “Er zijn materialen die supergeleidend gedrag vertonen bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt, en voor sommigen begrijpen we zelfs waarom”. De echte uitdaging is om supergeleiding in cuprates te begrijpen, bij veel hogere temperaturen.
Veelbelovende cuprates
De ontdekking van supergeleiding bij hoge temperatuur in cuprates is een van de belangrijkste wetenschappelijke mijlpalen van de laatste vijftig jaar. Cuprates zijn chemische verbindingen die een koperhoudend anion bevatten en supergeleidend blijven bij een normale druk tot een temperatuur van 140 Kelvin (minus 133 graden Celsius). Maar belangrijke vragen over het complexe fasendiagram van deze materialen blijven tot nu toe onbeantwoord.
Barišić ziet een materiaal dat supergeleidend blijft bij kamertemperatuur als de heilige graal van de vaste-stoffen-fysica. Die heilige graal komt momenteel in de buurt met de ontdekking van twee fundamenteel verschillende elektrische ladingsdragers in cuprates die in een subtiel samenspel zitten – en dit samenspel is cruciaal voor supergeleiding.
Sommige van de elektrische ladingsdragers zijn immobiel, terwijl andere mobiel zijn.
- De immobiele elektrische ladingsdragers zitten elk op een atoom en kunnen alleen weggaan wanneer het materiaal wordt verwarmd.
- De mobiele elektrische ladingsdragers kunnen van het ene atoom naar het andere springen.
Supergeleiding door te koppelen
De supergeleiding wordt geactiveerd door de bewegende elektrische ladingsdragers. “Er is een interactie tussen de bewegende en onbeweeglijke elektrische ladingsdragers die de energie van het systeem verandert,” zegt Barišić. De onbeweeglijke hebben een kleeffunctie en binden paren van mobiele apparaten aan elkaar. Zo worden de zogenaamde “Cooperparen” gevormd. Pas na deze koppeling kunnen de elektrische ladingsdragers supergeleidend worden en het materiaal de mogelijkheid geven om zonder weerstand te transporteren.
Barišić en zijn onderzoeksteam concluderen dat het aantal mobiele en immobiele ladingdragers zorgvuldig uitgebalanceerd moet worden om supergeleiding te verkrijgen. De relatie tussen ‘zelfklevende’ en te koppelen ladingsdragers moet in evenwicht zijn. Een onevenwichtigheid leidt onvermijdelijk tot een verzwakking of ineenstorting van de supergeleiding. Het centrale probleem bij het onderzoek was hoe de invloed van temperatuur of dosering van het materiaal met andere atomen de balans tussen mobiele en immobiele ladingdragers beïnvloedt.
De onderzoekers hebben veel verschillende experimenten met cuprates uitgevoerd. Uit de grote hoeveelheden gegevens kon een uitgebreide fenomenologie van supergeleiding in cuprates worden gepresenteerd. Zo kon onder andere worden aangetoond dat supergeleiding zich geleidelijk kan ontwikkelen. De kennis die nu is opgedaan helpt om cuprates beter te begrijpen en nog betere supergeleiders te ontwikkelen.
Meer informatie over supergeleiders als diamantmagneten is te vinden in de literatuur over het Meißner effect.
De originele publicatie van Neven Barišić:
Pelc et al., Science Advances 25, Vol. 5, nr. 1 (2019)
Verdere recente publicaties van Neven Barišić:
Natuur Communicatievolume 9, artikelnummer: 4327 (2018)
npj Quantum Materiaalvolume 3, artikelnummer: 42 (2018).
Foto: Shanghai Transrapid (c) Yosemite Commonswiki
