Het toeval van de suprageleiding

Physics Today. Uitgave van The American Institute of Physics. Verschijnt maandelijks. September 1996. Losse nummers: $ 20,-. Tel. best.: 00 1 800 344 6908.

IN 1911 ONTDEKTE Heike Kamerlingh Onnes de supergeleiding: in kwik dat tot beneden de 4,19 graden boven het absolute nulpunt is afgekoeld, zakt de elektrische weerstand plotseling naar nul. Twee jaar later ontving de Leidse natuurkundige voor deze vondst - die hij zelf 'suprageleiding' doopte en waarvoor pas in 1957 een afdoende theoretische verklaring werd opgesteld - de Nobelprijs.

Het was Gilles Holst, een van Onnes' assistenten, die tijdens de beslissende experimenten aan de knoppen draaide. Dat de latere (eerste) directeur van het Philips Nat.Lab in geen van Onnes' publicaties over de ontdekking van de supergeleiding co-auteur mocht zijn, en slechts door de hoogleraar-directeur werd bedankt voor de 'toewijding' en 'zorgvuldigheid' waarmee hij de metingen had uitgevoerd, tekent de verhoudingen in die dagen.

Terwijl het vloeibaar maken van helium in 1908 door Onnes in een spannend ooggetuigeverslag is vastgelegd - de mededeling van augustus aan de Akademie van Wetenschappen over het 'bedwingen' van het helium vormt een hoogtepunt in de vaderlandse wetenschappelijke literatuur - is de gang van zaken rond de ontdekking van de supergeleiding veel minder gedocumenteerd. In zijn artikelen zwijgt Onnes over de exacte toedracht van de waarneming en ook de Nobelrede van 1913 geeft geen uitsluitsel.

Physics Today, het clubblad van de Amerikaanse fysici, licht deze maand een tip van de sluier op. Prof.dr. J. de Nobel, die als student begin jaren dertig in Leiden met lage temperaturenonderzoek in aanraking kwam en tot 1974 aan het Kamerlingh Onnes Laboratorium verbonden bleef, haalt in het tijdschrift herinneringen op aan meester-instrumentmaker Gerrit Jan Flim. Die was een product van de Leidse Instrumentmakersschool, door Kamerlingh Onnes in 1901 met vooruitziende blik in het leven geroepen. Naast theorie kregen de 'blauwe jongens' in het laboratorium een gedegen praktijkopleiding. In één klap beschikte Onnes over technisch hooggekwalificeerd personeel èn over een reservoir leerlingen die hem mooi bij de metingen konden assisteren. Flim, een duivelskunstenaar, bouwde met onovertroffen precisie de koudetoestellen die Onnes roem brachten.

De Nobel en Flim (de laatste overleed in 1970 op vijfennegentigjarige leeftijd) raakten bevriend. Als ze elkaar weer eens opzochten vertelde de instrumentmaker anekdotes over zijn samenwerking met Kamerlingh Onnes. Ook de supergeleiding kwam aan bod.

Het onderzoek naar de elektrische weerstand van metalen bij lage temperatuur was door Kamerlingh Onnes uit theoretische interesse geëntameeerd. Nadat platina en goud waren doorgemeten, besloot de 'gentleman du zéro absolu' (Madame Curie) tot kwik, omdat dit metaal via herhaald destilleren extreem gezuiverd kon worden. Het werd bij kamertemperatuur in nauwe U-vormige glazen buisjes gegoten, met platina aansluitdraden aan de uiteinden, en vervolgens in de cryostaat (koudefles) gemonteerd.

Toen Holst het kwik tot de temperatuur van vloeibaar helium had afgekoeld, merkte hij dat de weerstand wegviel. Vanzelfsprekend dacht hij eerst aan een kortsluiting in de bedrading, maar toen hij de proef enkele keren overdeed - een tijdrovende klus omdat vloeibaar helium in die dagen lang niet iedere week voorradig was - zag hij het euvel steeds opnieuw optreden. Daarop werd besloten de U-vorm door een W te vervangen, met platinum draden aan beide uiteinden en de drie 'punten'. Zo kon van vier stukken kwik de weerstand worden bepaald, maar tot teleurstelling van Holst was het resultaat vier keer 'kortsluiting'.

Dat de supergeleiding alsnog werd herkend, was toeval. Met helium werd zuinig omgesprongen en de druk in de cryostaat lag daarom altijd iets onder die van de buitenlucht: bij een eventueel lek zou direct lucht binnenstromen, vastvriezen en de zaak afstoppen. Met een oliemanometer en een regelkraan werd de heliumdruk in de cryostaat op peil gehouden, een klusje voor een leerling-instrumentmaker. Toen deze, aldus Flim, bij een van de meetsessies uit pure verveling in slaap sukkelde, en de temperatuur in de cryostaat begon op te lopen, werd het sprongpunt van de supergeleiding gepasseerd en zag Holst, die in een belendende kamer in het donker de galvanometer in de gaten hield, de wijzer - een lichtstraal - opeens opzijzwiepen, ten teken dat in het kwik de weerstand was teruggekeerd. Hoe onachtzaamheid de wetenschap vooruit kan helpen.

Verder in Physics Today helder geschreven artikelen over het breken van voorwerpen (iedere kleuter weet dat je een sleutel rustig kunt laten vallen en een wijnglas niet, maar vraag een vaste stoffysicus niet om een verklaring op microniveau) en over de aanwezigheid van planeten buiten ons zonnenstelsel. Dat Physics Today de geschiedenis van de natuurkunde hoog in het vaandel heeft, blijkt niet alleen uit het stukje van De Nobel, ook haalt de Britse informaticus Anthoney Hey herinneringen op aan Richard Feynman. Hey, bezorger van de pas verschenen The Feynman Lectures on Computation, was in de jaren zeventig als post-doc getuige van de opwindende sfeer die toen aan Caltech (California Institute of Technology) heerste. De rivaliteit tussen Richard Feynman en Murray Gell-Mann, die de term Quark heeft bedacht, ging er zelfs zo ver dat een seminar over Maya-hiërogliefen van de een prompt werd beantwoord met colleges vergelijkende taalwetenschap van de ander. Never a dull moment in Pasadena.