De Groningse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes presenteerde in 1911 zijn theorie van supergeleiding. Hij ontdekte dat kwik zijn elektrische weerstand verliest bij 4,2 Kelvin (-268,95 °C). Sindsdien zijn wetenschappers op zoek gegaan naar meer supergeleiders die hetzelfde effect hebben bij hogere temperaturen, namelijk: elektriciteit transporteren zonder verlies. Slaagt men erin om supergeleiding bij kamertemperatuur te bereiken, dan betekent dat op de lange termijn een enorme verlaging van het aantal energiecentrales, broeikasgassen en kosten. Er kunnen dan enorme hoeveelheden elektriciteit worden bespaard die momenteel verloren gaan bij transport.

Het vorige record voor hogetemperatuursupergeleiding was -70 °C. In 2015 hebben onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Chemie in Mainz, onder leiding van Dr. Mikhail Eremets, de basis gelegd voor het actuele onderzoek op het gebied van hogetemperatuursupergeleiding. Ze ontdekten dat waterstofsulfide (H3S) supergeleidend wordt onder een druk van 2,5 megabar bij -70 °C. Vóór deze ontdekking stond het record op naam van koperhoudende keramieken. Maar zelfs deze materialen hadden een temperatuur van minstens -135 °C nodig om hun elektrische weerstand te verliezen.

Nu hebben de onderzoekers in Mainz een belangrijke stap gezet in de richting van supergeleiding bij kamertemperatuur. Ze experimenteerden met lanthaanhydride (LaH10). Ze ontdekten dat het zijn elektrische weerstand al verliest bij een temperatuur van -23 °C. “We hebben specifiek lanthaanhydride geselecteerd uit andere mogelijke kandidaten voor supergeleiding bij kamertemperatuur, op basis van een theoretische voorspelling,” legt Dr. Eremets uit. “We werken ook aan andere materialen.”

Supraleiter

Hoge druk: In een aambeeldcel kleiner dan een vuist kan tussen twee conisch geslepen diamanten meer dan een miljoen bar worden geproduceerd, waardoor sommige materialen bij relatief hoge temperaturen supergeleidend worden. © Thomas Hartmann

Metalen lanthaanhydride door hoge druk

Volgens Eremets is het waterstofgehalte de reden waarom lanthaanhydride bij hogere temperaturen een supergeleider wordt dan waterstofsulfide of zelfs conventionele metalen supergeleiders. “Het is duidelijk dat er veel meer waterstof in LaH10 zit dan in H3S. Waterstof, het lichtste atoom dat er is, is gunstig voor supergeleiding, omdat het ervoor zorgt dat de kristalstructuur bij hoge frequenties trilt,” zegt hij.

“Ten tweede heeft LaH10 een heel andere structuur dan H3S. Dit aspect is echter minder voor de hand liggend, en het is moeilijk om het goed uit te leggen. Veel parameters (niet alleen de frequenties van de structuurtrillingen) bepalen de kritische temperatuur, en nauwkeurige berekeningen tonen aan dat deze bij LaH10 hoger moet zijn dan in H3S.”

Tijdens hun experimenten hebben de wetenschappers kleine hoeveelheden lanthaanhydride gesynthetiseerd. In een speciale kamer van slechts een paar honderd kubieke micrometer groot, onderwierpen ze de monsters aan een druk van 1,7 megabar (1,7 miljoen keer de druk in de atmosfeer van de aarde) en koelden ze ze vervolgens af. Bij de kritische temperatuur van -23 °C daalde de elektrische weerstand van het materiaal abrupt tot nul.

Omdat supergeleiding niet duidelijk kan worden aangetoond door weerstandsmetingen alleen, hebben de onderzoekers ook metingen gedaan in een extern magnetisch veld. Een magnetisch veld verstoort de supergeleiding, zodat de overgang naar lagere temperaturen verandert – en dat is precies wat de fysici hebben waargenomen.

Supraleiter

© Thomas Hartmann

Belangrijke ontdekking voor de wetenschap

“Ons onderzoek is een belangrijke stap op weg naar supergeleiding bij kamertemperatuur,” zegt Mikhail Eremets. Bovendien zijn de resultaten ook belangrijk voor de wetenschap. “Het toont aan dat conventionele supergeleiders (volgens de gevestigde BCS-theorie (Bardin-Cooper-Schrieffer)) momenteel de meest veelbelovende zijn voor het bereiken van de hoogste kritische temperaturen,” zegt Eremets. “De verwachte supergeleiding bij kamertemperatuur zal binnenkort bij hoge druk worden bereikt. Onze studies zijn een eerste stap in de zoektocht naar nieuwe supergeleiders, zelfs bij omgevingstemperaturen, omdat er theoretisch geen limiet lijkt te zijn aan de kritische temperatuur van supergeleiding,” zegt Eremets.

Eremets en zijn team onderzoeken momenteel supergeleiding in yttriumhydride. “Met dit materiaal verwachten we supergeleiding bij nog hogere temperaturen,” zegt de wetenschapper.