Het Leidse laboratorium van Heike Kamerlingh Onnes was, aan het begin van de twintigste eeuw, de koudste plaats op aarde. Het lukt Kamerlingh Onnes in 1908 om helium vloeibaar te maken, waarmee hij het toenmalige wereldkouderecord op 1,4 Kelvin bracht: bijna 272 graden Celsius onder 0. Met temperaturen net boven het absolute nulpunt binnen bereik kon de Leidse professor een gebied van de natuurkunde ontginnen waar tot dan toe niemand bij kon. Hij bestudeerde het gedrag van materie op extreem lage temperaturen en ontdekte een fenomeen dat de fysische wereld op zijn grondvesten zou doen schudden.
De elektrische weerstand van een stof is een maat voor het gemak waarmee de stof elektrische stroom geleidt. Hoe lager de weerstand, hoe makkelijker stroom er doorheen vloeit. De weerstand van metalen is afhankelijk van hun temperatuur. Sommige wetenschappers, zoals Lord Kelvin, dachten dat in een metaal op het absolute nulpunt geen geleiding meer kan plaatsvinden: alle atomen staan immers stil. Andere wetenschappers, zoals Augustus Matthiessen, merkten op dat de weerstand van metalen in het algemeen juist lager wordt als de metalen kouder zijn, en verwachtten daarom dat de weerstand van een steeds verder afgekoeld metaal langzaam naar 0 zakt. Kamerlingh Onnes kon het uitproberen en kwam erachter dat geen van beide kampen het bij het rechte eind had.
Tijdens het koelen van kwik, tin en lood ontdekte Kamerlingh Onnes dat het idee van Matthiessen lange tijd klopte. Hoe kouder het metaal, hoe lager de weerstand en hoe beter de geleiding. Maar op 8 april 1911, toen hij kwik wist af te koelen tot 4,15 Kelvin, gebeurde er iets vreemds. De weerstand verdween als sneeuw voor de zon: niet meer geleidelijk, maar heel plotseling. De verbaasde wetenschapper weet het eerst aan zijn apparatuur, maar daarmee bleek niets mis te zijn. Het fenomeen dat hij had waargenomen was een overgang van het metaal naar een nieuwe toestand. In zijn wetenschappelijke publicaties noemde Kamerlingh Onnes die toestand in eerste instantie ‘suprageleiding’, maar die term werd snel vervangen door het woord dat we nu nog steeds gebruiken: ‘supergeleiding’
Bekroond maar onbegrepen
Kamerlingh Onnes’ ontdekking was zo baanbrekend dat hij er twee jaar later al een Nobelprijs voor ontving. Toch zou het vijftig jaar duren voordat iemand daadwerkelijk begreep wat er met metalen gebeurt vlak boven het absolute nulpunt. In 1933 ontdekte de Duitser Walther Meissner dat in supergeleidende metalen geen magnetische velden voor kunnen komen. Een magnetisch veld in de buurt van een supergeleider wordt er omheen gebogen en raakt het metaal niet aan. Hoe dat effect wordt veroorzaakt, snapte Meissner nog niet, maar het bevestigde wel dat supergeleidend metaal een heel ander soort materiaal is dan gewoon metaal.
Een theoretische beschrijving van supergeleiding kwam pas in 1957. De Amerikaanse professor John Bardeen, zijn postdoc Leon Cooper en hun masterstudent John Schrieffer formuleerden een uitleg waarin de elektronen in een supergeleider paren vormen. Die ‘Cooper-paren’ gedragen zich heel anders dan gewone elektronen. Om die paren te breken is een hogere energie nodig dan botsingen tegen de atomen in het metaal kunnen leveren. Het resultaat is dat ze vrij, zonder weerstand, door het metaal kunnen bewegen.
De Bardeen-Cooper-Schrieffer-theorie (BCS) bleek precies te kloppen met het gedrag van metalen bij lage temperaturen. Maar in 1986 liep hij een deuk op: er werd supergeleiding ontdekt in een samengesteld kristal, bij een aangenaam ‘warme’ temperatuur van maar liefst 30 Kelvin. In de BCS-theorie is supergeleiding bij zulke temperaturen onmogelijk. Het bleek al snel om een nieuwe vorm van supergeleiding te gaan. Die vorm noemen we nu Type II-supergeleiding. Het warmterecord voor een Type II-supergeleider staat op 139 Kelvin. De overgang naar een supergeleidende toestand vindt in het recordmateriaal Hg0.2Tl0.8Ca2Ba2Cu3O plaats op een temperatuur die ver boven de temperatuur van vloeibaar stikstof ligt. Vloeibaar stikstof is makkelijk en goedkoop te maken, en dit soort supergeleiders kan dan ook goed toegepast worden.
De weg van de minste weerstand
Naarmate er meer verschillende en makkelijker te produceren supergeleiders werden ontdekt, begonnen ook de toepassingen zich aan te dienen. Hoewel supergeleiders magnetische velden buitensluiten, zijn supergeleidende magneten bijzonder sterk. De ontwikkeling van deze magneten maakte het mogelijk om magnetisme te gebruiken voor medisch onderzoek in MRI- en NMR-scanners. Ze vonden toepassingen in massaspectrometers die de precieze samenstelling van stoffen kunnen achterhalen, en maakten het mogelijk om deeltjesversnellers op te schroeven naar extreem hoge energieën.
Het bijzondere gedrag van supergeleiders in magnetische velden leidde ook tot de ontwikkeling van de SQUID (superconducting quantum interference device). Met dit apparaatje kunnen zelfs de kleinste magnetische velden met microscopische precisie in kaart gebracht worden.
De meest tot de verbeelding sprekende toepassing van supergeleiding tot nu toe is ongetwijfeld de magneetzweeftrein. Een rails van supergeleidende magneten stoot de magnetische onderkant van een magneetzweeftrein af, zodat de trein een paar centimeter boven de rails blijft hangen. De trein beweegt dan zo goed als wrijvingsloos: een klein duwtje is al genoeg om de trein lange tijd in beweging te houden. Helaas betekent dat nog niet dat de trein weinig energie verbruikt. Het koelen van de supergeleidende magneten kost namelijk een heleboel stroom, vloeibaar stikstof en vloeibare helium.
Voorlopig nog niet in Nederland…
Nuttig maar mysterieus
Honderd jaar na de ontdekking van supergeleiding gebruiken we het fenomeen veelvuldig. We begrijpen wat er aan de hand is in supergeleidende metalen zoals Kamerlingh Onnes ze in zijn laboratorium waarnam, maar waarom Type II-supergeleiders hun weerstand kwijtraken is nog steeds een raadsel. Het kostte de wetenschap vijftig jaar om Type I-supergeleiding uit te leggen. Als dat voorspellende waarde heeft voor het begrijpen van hoge temperatuur-supergeleiding dan moeten we nog tot 2036 wachten op de ontmaskering van het Type II-raadsel.
Maar dat we Type II-supergeleiding niet snappen, betekent niet dat wetenschappers niet heel hard verder kunnen zoeken naar nog beter supergeleidende materialen. De heilige graal is een materiaal dat zelfs op kamertemperatuur weerstandsloos stroom kan geleiden. Zo’n materiaal kan niet alleen onze elektronica zuiniger en sneller maken, maar ook het transport van energie veel efficiënter regelen. Met supergeleidende hoogspanningskabels haal je uit een energiecentrale alles wat erin zit, en wat te denken van een supergeleidende leiding die zonne-energie uit de Sahara naar onze koude streken kan transporteren? Honderd jaar na de ontdekking van supergeleiding kunnen we dromen van een wereld zonder weerstand.