Rebelse supergeleider

Een nieuwe supergeleider houdt de gemoederen bezig. Fysici vergaderen tot in de nacht.

Margriet van der Heijden

Ze waren vorige week hét onderwerp van gesprek op de Low Temperature Conference, een driejaarlijkse wereldwijde bijeenkomst van materiaalkundigen en koudespecialisten die dit keer in Nederland gehouden werd: nieuwe verbindingen van ijzer en het giftige arseen. Want totaal onverwachts blijken deze materialen te kunnen ‘supergeleiden’. Bij temperaturen van tientallen graden boven het absolute nulpunt, en dat is ‘hoog’. Er werden zelfs extra sessies aan gewijd, tot diep in de nacht, zegt de Leidse hoogleraar en theoretisch fysicus Jeroen van den Brink.

Het enthousiasme heeft alles te maken met de belofte die hogetemperatuursupergeleiders inhouden. Bij supergeleiding ondervindt een elektrische stroom geen weerstand in een materiaal, en passeert dus zonder hinder en warmteverlies. Ofwel: superefficiënt en megazuinig. Als supergeleiding bij kamertemperatuur kon worden toegepast bij elektriciteitstransport en in apparaten dan zou onze energierekening kelderen, dan zouden onze klimaatzorgen verdwijnen en dan zou zoiets als het gehannes met opladers tot een minimum worden beperkt.

ijzig koud

Maar ja, de eerste hogetemperatuursupergeleiders, meestal koperoxideverbindingen, die twintig jaar geleden werden ontdekt, zijn sindsdien blijven steken op een temperatuurplateau van ergens rond de 140 Kelvin. Dat is bijna 140 graden Celsius onder nul, en voor alledaagse begrippen dus nog steeds ijzig koud.

Juist daarom is de ontdekking, begin dit jaar, van het team van Hideo Hosono van het Tokyo Institute of Technology, interessant (Journal of the American Chemical Society, vol. 130). Hun ijzerarseenverbinding supergeleidt eveneens bij ‘hoge’ temperaturen. Die liggen weliswaar nog ver onder de temperaturen waarbij de huidige koperoxideverbindingen gaan supergeleiden, maar omdat de ijzerarseenverbinding zich anders gedraagt en de temperatuur nog stijgt, is de hoop dat een veel hoger ‘plateau’ wordt bereikt. Bovendien is het nieuwe materiaal goed bestand tegen sterke magneetvelden - wat ook uitzicht biedt op interessante toepassingen Vast staat dat echter allemaal nog niet, want, zo zegt Van den Brink: “niemand snapt hoe deze materialen werken.”

Tot nu toe waren er twee typen supergeleiders. De ‘klassieke’ supergeleiders werken bij luttele graden boven het absolute nulpunt en hun gedrag is een halve eeuw geleden al verklaard door John Bardeen, Leon Cooper en Robert Schrieffer. Maar de werking van het tweede type, de koperoxideverbindingen die bij hoge temperaturen supergeleiden, is helemaal onbegrepen. “Het is één van de grootste mysteries van de moderne natuurkunde”, zegt Van den Brink. En het mooie van de nieuwe ontdekking, zegt hij, is dat die misschien het achterliggende mechanisme helpt vinden. Daarom wil hij nu, met Mark Golden, hoogleraar en experimenteel vastestoffysicus aan de Universiteit van Amsterdam, de nieuwe materialen gaan bestuderen.

“Op dit moment is sprake van een gold rush”, zegt Golden aan de telefoon. Hij zit net in Berlijn om een paar van zijn ijzerarseenkristallen met röntgenstralen door te lichten. “Supergeleiding is verder een vrij robuust fenomeen”, zegt hij. Als je de juiste stoffen bij elkaar stopt en ze bakt, dan heb je al snel een materiaal dat supergeleidt. “En dat is wat onderzoeksgroepen in de wereld nu doen”, zegt Golden.

Na de eerste ontdekking van de ijzerarseensupergeleider in Japan zijn er, vooral in Azië en de VS, ruim honderd artikelen over verschenen. Al na twee maanden werd, in China, de kritische temperatuur (tot waar een materiaal supergeleidt) verdubbeld van 26 tot 55 graden Kelvin.

“Maar als je echt wilt begrijpen hoe deze supergeleiding werkt, en hoe je eraan kan sleutelen, dan moet je je materiaal tot in detail kennen”, zegt Golden. Daarvoor zijn heel zuivere kristallen nodig, en die maken gaat niet per se snel. “Generaliserend wordt er vaak gezegd dat onderzoekers in de Verenigde Staten als eersten publiceren terwijl Europeanen de laatsten zijn. En dat de Amerikanen zo alle aandacht krijgen, terwijl de Europeanen het bij het rechte eind hebben. Ergens daartussen willen wij een middenweg vinden.”

magneet

De hamvraag is voorlopig of de nieuwe supergeleiders bij het klassieke type horen, of bij de meer rebelse hogetemperatuurgeleiders van koperoxide. Dat laatste, denkt Van den Brink. “Hun hoge kritische temperatuur is een eerste aanwijzing. Verder organiseren de nieuwe materialen zich net als hun koperoxide-collega’s in laagjes (zie afbeelding, mvdh). En ten slotte behoren ijzer en koper in het periodiek systeem allebei tot de overgangsmetalen en hebben ze dus deels hetzelfde gedrag.”

Maar niet helemaal, want in tegenstelling tot de koperoxidesupergeleiders zijn de nieuwe supergeleiders goed bestand tegen sterke magneetvelden (Nature, vol. 435, p903). Het maakt ze extra aantrekkelijk, zegt Golden. “Omdat je met een elektrische stroom een magneetveld kunt opwekken, zou je met deze materialen superkrachtige magneten kunnen maken.” Zoals voor in MRI-scanners in ziekenhuizen, waarin nu nog klassieke supergeleiders en alle bijbehorende koeling worden gebruikt. Maar ook zover is het nog lang niet.