Snelle sandwich

Natuurkundigen van de universiteit van Augsburg en de Technische Universiteit Twente zijn er in geslaagd om hoge-temperatuur supergeleiders zó te prepareren dat er veel hogere stromen doorheen kunnen lopen. Dat maakt het wellicht mogelijk om er op een goedkope en eenvoudige manier draden van te maken, waarmee praktische toepassingen van deze keramische materialen een stapje dichterbij komen.

De maximale stroom door een draad werd tot nu toe beperkt door de microstructuur van het supergeleidende materiaal. Dat bestaat uit een mozaïek van microscopisch kleine korrels. Draden moeten flexibel zijn, zodat ze niet uit een stuk kunnen worden gemaakt. De microkristalletjes liggen echter nooit perfect tegen elkaar aan, waardoor de supergeleidende elektronen voor (isolerende) barrières komen te staan. De onderzoekers ontdekten echter een manier om de overgang te vergemakkelijken, waardoor ze meer stroom door een draad konden voeren zonder dat die zijn supergeleidende eigenschappen verliest (Nature, 14 september).

Toen in februari 1987 een materiaal was ontdekt dat supergeleidend was bij een temperatuur van -196 graden Celsius (de temperatuur waarbij stikstof vloeibaar wordt) leek de wereld ingrijpend te gaan veranderen. Alles was opeens mogelijk: zweeftreinen, snellere computers, goedkope stroom, gevoeliger medische apparatuur. Dertien jaar later is er van die hooggestemde verwachtingen nog niet veel terechtgekomen. Het bleek niet mee te vallen de in het laboratorium onder ideale omstandigheden verkregen eigenschappen ook in de praktijk te verwezenlijken.

Hoge temperatuur supergeleiders zijn sterk gelaagde materialen. De basis wordt gevormd door lagen koperoxide, waartussen zich verschillende andere metaalionen bevinden. Hoewel het precieze mechanisme waaraan deze keramische materialen hun elektrische eigenschappen ontlenen nog niet duidelijk is, staat wel vast dat deze positieve metaalionen een belangrijke rol spelen. Heel subtiele veranderingen in de verhouding waarin deze metalen voorkomen, heeft grote gevolgen voor de geleidende eigenschappen. Door het ene metaal gedeeltelijk te vervangen door een ander met een kleinere positieve lading, komen er positieve ladingsdragers (gaten) beschikbaar, die onder bepaalde omstandigheden zonder enige weerstand door het materiaal kunnen stromen.

In een volmaakt kristal werkt dat heel goed, maar om er draden van te kunnen maken moeten supergeleiders worden opgebouwd uit aaneengeschakelde kristallijne korrels. Die zijn in het algemeen niet netjes opgelijnd, maar liggen schots en scheef ten opzichte van elkaar. Daardoor ontstaan er op de korrelgrenzen tussenruimten die nauwelijks geleidende gaten bevatten en daardoor als een bijna isolerende buffer fungeren voor de supergeleidende stroom.

hoge temperatuur

De onderzoekers kwamen daarom op het idee om de kristalgrenzen te voorzien van extra gaten. Daartoe vervingen ze in de meest populaire supergeleider YBa2 Cu3 O7 of YBCO een deel van de yttriumionen door calciumionen. Een eerste poging daartoe mislukte vorig jaar, omdat de calciumionen overal in het materiaal terecht kwamen en niet specifiek tussen de korreltjes in. Daardoor werden de supergeleidende eigenschappen van het YBCO aangetast. Dit keer deden ze het voorzichtiger door de calciumionen zelf hun weg te laten vinden. Ze maakten daarvoor een sandwich van een met calcium gedoopte YBCO laag bovenop een laag die calcium bevatte. Door het geheel een uur op een hoge temperatuur te houden werden de calciumionen gestimuleerd om aan de wandel te gaan. Omdat ze daarbij de weg van de minste weerstand kiezen, kwamen ze specifiek op de korrelgrenzen terecht. Dat had als resultaat dat de maximaal mogelijke of `kritische' supergeleidende stroom door het materiaal drie to! t zes keer zo sterk werd. Het beste resultaat werd verkregen door laagjes YBCO met en zonder calcium om en om te stapelen. Hoewel de nu bereikte kritische stromen nog niet groot genoeg zijn om hoge temperatuur supergeleiders direct commercieel toepasbaar te maken, opent dit nu ontwikkelde procédé wel nieuwe perspectieven.

De standaard methode om supergeleidende draden te maken maakt gebruik van dunne vezels in een omhulsel van zilver. Dat maakt ze sowieso al behoorlijk duur, en daar komt bij dat fabricage ervan langdurig en kostbaar is. Vergeleken met traditionele supergeleiders – die alleen met vloeibaar helium gekoeld kunnen worden – ligt de prijs ongeveer een factor honderd hoger, al is de verwachting dat dat met de ontwikkeling van massaproduktietechnieken wel naar beneden kan.

Een zeer recent ontwikkelde, alternatieve methode maakt gebruik van een speciaal geprepareerde ondergrond om de YBCO-kristalletjes zo netjes mogelijk neer te leggen. Voor deze methode zou toevoeging van extra calcium wel eens de doorbraak kunnen betekenen. Maar eerst is er nog fundamenteel onderzoek nodig, bijvoorbeeld naar de manier waarop de calciumionen op hun plaats komen. Misschien kan dat nog wel veel efficiënter. Er zit in ieder geval weer vaart in zowel het onderzoek als de commercialisering ervan. Dat wordt ook duidelijk uit het feit dat er onlangs in de Verenigde Staten en Japan grote, door de regering gesponsorde projecten zijn opgezet om particuliere bedrijven te helpen.