Je leest:

Nobelprijs Natuurkunde 2003

Nobelprijs Natuurkunde 2003

Auteur: | 7 oktober 2003

De Nobelprijs voor de Natuurkunde is dit jaar toegekend aan een trio kwantummechanici. Alexei A. Abrikosov, Vitaly L. Ginzburg en Anthony J. Leggett delen de prijs voor hun werk aan supergeleiding en supervloeibaarheid. Het achterliggende thema: stromen zonder wrijving

De drie Nobelprijswinnaars hebben theorieën opgesteld over een van de grenzen van de natuur. Ze beschreven wat er gebeurt als je iets extreem afkoelt, tot een paar graden boven het absolute nulpunt. Bij zulke lage temperaturen staan alle deeltjes zo goed als stil en krijgt de kwantummechanica vat op hen. Dat levert spectaculaire natuurkunde op: stoffen die ineens zonder weerstand stroom geleiden. Of vloeistof die langs de wanden van een beker naar buiten kruipt.

Het lijkt alsof dat hele verschillende zaken zijn, maar volgens de drie laureaten zijn er toch wel overeenkomsten te vinden. De drie beschreven hoe deeltjes samen kunnen werken en als één geheel bewegen. Als elektronen in een materiaal dat doen, heeft het geen elektrische weerstand meer en wordt het supergeleidend. Abrikosov en Ginzburg beschreven hoe supergeleiders, normaal allergisch voor magneetvelden, die toch binnen kunnen laten. Leggett gebruikte een deel van de supergeleidertheorie om te laten zien hoe atomen helium-3 zo kunnen samenwerken dat ze een supervloeibaar geheel zonder interne weerstand vormen.

Supergeleiding

Kwantummechanica maakt vreemde dingen mogelijk. Elektrische stroom zonder weerstand? Volgens de klassieke natuurkunde kan het niet, maar het effect bestaat wel degelijk. Veel metalen, maar ook andere materialen, verliezen hun elektrische weerstand als ze tot beneden een bepaalde temperatuur worden afgekoeld. Het effect werd in 1911 ontdekt door de Nederlander Heike Kamerlingh Onnes, die helium afkoelde tot een paar graden boven het absolute nulpunt. Kamerlingh Onnes kreeg in 1913 de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor zijn ontdekking.

Omdat supergeleiders geen elektrische weerstand hebben, kunnen ze gigantische stromen geleiden. De bijbehorende magneetvelden bereiken tienduizenden malen de sterkte van het aardmagnetisch veld en worden gebruikt in bijvoorbeeld MRI-scanners en in deeltjesversnellers. Als er eenmaal een materiaal is dat bij ‘hoge’ temperatuur supergeleidend blijft, is dat ideaal voor de elektriciteitsvoorziening. In de huidige hoogspanningskabels gaat namelijk nogal wat energie verloren door weerstand en warmteontwikkeling. Maar supergeleiders zijn niet overal inzetbaar. De materialen moeten namelijk niet alleen gekoeld worden – ze kunnen ook niet zo goed tegen magneetvelden in de omgeving. En daar komen Abrikosov en Ginzburg om de hoek kijken.

Buitensluiten…

De eerste supergeleiders sloten magneetvelden in hun omgeving volledig buiten. Het zogenaamde Meissner-effect zorgt dat de veldlijnen om het materiaal heen buigen. De supergeleider houdt dat niet eeuwig vol: boven een bepaalde veldsterkte dringt het magneetveld toch binnen en verdwijnt de supergeleiding. Dat werd allemaal beschreven en verklaard in de BCS-theorie van John Bardeen, Leon Cooper en Robert Schrieffer (Nobelprijs voor de Natuurkunde in 1972). De BCS-theorie gaat over paren van elektronen, die in tegenovergestelde richting rondtollen, de zogenaamde Cooper-paren. Cooper-paren stromen wrijvingsloos door de ‘kanalen’ die de positieve atoomkernen in het materiaal vormen.

Type I-supergeleiders sluiten magneetvelden (H) buiten, en stoppen met supergeleiden als het veld tóch binnendringt. Type II supergeleiders laten het veld vanaf het begin binnen en kunnen grotere velden weerstaan. Ze werken ook bij hogere temperaturen dan die van Type I. bron: Nobel e-Museum

…of binnenlaten

De theorie van supergeleiders leek ‘af’, tot supergeleiders werden ontdekt met een veel kleiner of zelfs zonder Meissner-effect. Deze nieuwe supergeleiders werden Type II genoemd (de al bekende materialen heten nu Type I) en laten magneetvelden gewoon doordringen in het materiaal. De BCS-theorie kon dat niet verklaren. Dat was vooral jammer, omdat de Type II-supergeleiders nou net díe materialen zijn die bij hogere temperaturen blijven werken.

Alexei Abrikosov wist de BCS-theorie aan te passen op zo’n manier, dat die wervelingen in de supergeleidende elektronen-vloeistof beschreef. Langs die wervelingen, liet hij zien, kan het magnetisch veld de supergeleider binnendringen. Abrikosov baseerde zijn theorie op het werk van Vitaly Ginzburg en Lev Landau, die de wisselwerking tussen supergeleiders en magneten beter in kaart probeerden te brengen.

Groepsdieren en Einzelgänger

Alle atomaire en subatomaire deeltjes hebben een kwantummechanische lading die spin heet. Bosonen zijn deeltjes die een gehele spin hebben: 0,1,2,… Fermionen hebben een halftallige spin: ?, 1 ?, 2 ?,… De verschillen zitten dieper dan een breukstreep: bosonen kunnen een soort collectief vormen waarin alle interne wrijving wegvalt. Ze vormen een harmonieus geheel. Fermionen zijn juist asociaal: als een elektron in de ene toestand zit, kunnen elektronen in de buurt die toestand niet aannemen. Fermionen kennen dus geen collectief gedrag. Of wel?

Een elektron is in zijn eentje een fermion, maar een Cooper-paar gedragt zich als één deeltje met een spin van 0 of 1 – een geheel getal! Het paar vormt daarom een boson. Als bosonen kunnen de Cooper-paren zonder wrijving bewegen, dus verdwijnt de elektrische weerstand van het materiaal.

Wervelingen in een supergeleider. In het werk van Ginzburg en Landau kwam een parameter voor, (later de Landau-parameter genoemd) die supergeleiders in twee klassen verdeelt. Type I-supergeleiders hebben allemaal een waarde rond de 0,16. Type II-geleiders zitten juist boven een ‘breekpunt’ bij 0,71. bron: Nobel e-Museum

Niet alleen elektronen vormen paren

Anthony Leggett, de derde Nobelprijswinnaar, deed werk aan de supervloeibaarheid van helium. Dat gas kent wel meer truuks dan supergeleiding. Als je het afkoelt tot zo’n 4 Kelvin, slaat het eindelijk neer als vloeistof. Nog kouder en het wordt supervloeibaar: alle interne weerstand valt weg. Het helium vloeit zomaar uit de bovenkant van een open beker en beweegt niet meer mee als je de beker rond laat tollen. Leggett liet zien waarom één van de isotopen supervloeibaar kan worden, terwijl de theorie dat leek te verbieden. Zijn werk wordt nu nog gebruikt in hele andere disciplines, zoals de deeltjes fysica en de kosmologie.

Vloeibaar helium is een Bose-Einstein condensaat (BEC), een speciale materietoestand van bosonen. De isotoop 4He heeft 2 neutronen in zijn kern en is zo’n boson, maar 3He heeft maar één neutron en is een fermion. Toch kan het ook supervloeibaar worden, net als elektronen: door paren te vormen. (Zie Groepsdieren en Einzelgänger eerder in dit stuk.)

3He wordt supervloeibaar bij een temperatuur die duizend keer kleiner is als die van 4He, omdat de Cooper-paren van 3He zo zwak gebonden zijn. De 3He-paren draaien dezelfde kant op, terwijl Cooper-paren van elektronen tegengesteld rondtollen. bron: Nobel e-museum

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 07 oktober 2003

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.