Alledaagse supergeleider

Afgelopen januari dook in Japan een doodgewone metallische stof op die bij de recordtemperatuur van 39 kelvin zijn elektrische weerstand verliest. Te koop voor een paar gulden per gram.

`SUPERGELEIDING bij 39 K in magnesiumdiboride', heet het artikel en met zijn omvang van amper een pagina behoort het tot de kortste die Nature over dit soort onderwerpen heeft gepubliceerd. Het staat afgedrukt in de editie van afgelopen donderdag maar de elektronische versie werd al vorige week zaterdag vrijgegeven. Want een artikel naar aanleiding van het bewuste onderzoek, zo bleek, zou op maandag 26 februari in Physical Review Letters (PRL) verschijnen, drie dagen vóór de rapportage in Nature. Een kwestie van razendsnelle peer review bij PRL.

Alle opwinding komt door een baanbrekende ontdekking van een groep fysici uit Japan. Op 10 januari maakte teamleider Jun Akimutsu van de Aoyama-Gakuin Universiteit uit Tokio op een conferentie bekend dat magnesiumdiboride (MgB2) beneden -234 °C opeens alle elektrische weerstand verliest en supergeleidend wordt. Dat is 39 graden boven het absolute nulpunt (-273 °C), een factor twee hoger dan het oude record bij metallische verbindingen. Extra bijzonder was dat het om een alledaagse verbinding gaat die sinds de jaren vijftig bekend is en die iedere leverancier van chemicaliën voor een paar gulden per gram kan leveren. Alleen was niemand tot nu toe op het idee gekomen hem af te koelen.

Supergeleiding is in 1911 in Leiden ontdekt door Heike Kamerlingh Onnes (al was het Gilles Holst die op het moment suprême de knoppen bediende). Onnes nam waar dat in een ring bevroren kwik beneden -269 °C een elektrische stroom ongehinderd doorliep, zonder de minste warmteontwikkeling. Aanvankelijk was supergeleiding iets van metalen. Verbindingen van niobium en tin, of niobium en titaan, toegepast in supergeleidende magneten omdat er makkelijk draden uit te wikkelen zijn, hebben een overgangstemperatuur van zo'n tien graden boven het absolute nulpunt. Daarom kunnen MRI-scanners, die op basis van zulke magneten de hersenen afbeelden, niet buiten koeling met vloeibaar helium. Een theoretische verklaring kwam er pas in 1957. Sleutel in het BCS-model, genoemd naar de opstellers John Bardeen, Leon Cooper en Robert Schrieffer, is dat de elektronen door de trillingen in het atoomrooster paren vormen, met als gevolg dat de weerstand wegvalt.

visioenen

Het onderzoek naar supergeleiding kwam in 1986 in een stroomversnelling toen Georg Bednorz en Alex Müller van het IBM-laboratorium in Zürich totaal onverwacht op een keramische verbinding stuitten die supergeleidend bleef tot boven de temperatuur van vloeibare stikstof (-196 °C). Een leger fysici sprong er bovenop en visioenen van magnetische zweeftreinen en stroomtransport zonder warmteverliezen dienden zich aan. Maar de hoge-temperatuursupergeleiders bleken weerbarstiger dan gedacht: anno 2001 zoeken theoretici nog altijd naar een verklaring (de BCS-theorie laat het bij de keramische verbindingen afweten) en grootschalige technische toepassingen laten voorlopig nog op zich wachten.

Door de vondst van Akimutsu en zijn medewerkers staan de metallische supergeleiders opeens weer in het brandpunt van de belangstelling. In het Nature-artikel beschrijven de Japanners nauwgezet hoe ze het magnesiumdiboride hebben gemaakt, welke kristalstructuur het heeft en hoe de magnetisatie (de reactie op een extern magnetisch veld) en de elektrische weerstand van de verbinding als functie van de temperatuur zijn gemeten. Met als conclusie dat MgB2 supergeleidend wordt beneden -234 °C. Het schijnt, aldus een commentaar in Nature, dat de Japanse groep eigenlijk een chemisch analogon van CaB6 (een halfgeleider) wilde maken door calcium te vervangen door magnesium (dat er in het Periodiek Systeem direct boven ligt). Serendipiteit dus, zoals zo vaak.

Nadat de Japanse ontdekking zich via een golf aan emailtjes onder fysici had verspreid, zijn er in diverse laboratoria in allerijl vervolgexperimenten op touw gezet. In de bovengenoemde publicatie van Physical Review Letters komen Amerikaanse fysici uit Ames (Iowa) tot de conclusie dat de supergeleiding van magnesiumdiboride goed te beschrijven valt met de aloude BCS-theorie. Ze baseren dit op het verschil in overgangstemperatuur dat optreedt als in MgB2 borium-10 wordt vervangen door borium-11 (dat een neutron extra in de atoomkern heeft en dat in de natuur vier keer zo veel voorkomt). Het gaat om een effect van 1,0 graad, in overeenstemming met wat de BCS-theorie voorspelt.

knutselen

De hoop is nu dat door aan het magnesiumdiboride creatief te `knutselen' de overgangstemperatuur van het poeder stukken verder omhoog zal schieten. In dat geval zou de koeling door vloeibaar helium kunnen worden vervangen door een eenvoudiger systeem. Maar van een echte doorbraak is pas sprake zodra uit de nieuwe supergeleider (of een van zijn opvolgers) flexibele stroomdraden te trekken zijn die niet alleen de hoge-temperatuursupergeleiders maar ook de huidige metallische supergeleiders (zoals niobiumtin en niobiumtitaan) qua buigzaamheid en maximale stroomsterkte in de schaduw stellen. Voorlopig is daar geen sprake van.

Intussen zegt een groep fysici uit Zagreb een verbinding te hebben gevonden die tot zeventig graden boven nul supergeleiding vertoont – een preprint van hun artikel circuleert op het internet. Groot nieuws? Terughoudendheid is geboden, zegt Peter Kes, hoogleraar experimentele natuurkunde te Leiden. ``De Kroaten hebben zich eerder geroerd en bleken toen weinig betrouwbaar.'' Maar het zou niet voor het eerst zijn dat een doorbraak in het onderzoek naar supergeleiding aanvankelijk met ongeloof is ontvangen.''