Je leest:

Vastgepinde wervelingen

Vastgepinde wervelingen

In supergeleiders in een magneetveld vormen zich bizarre elektromagnetische draaikolken. Deze wervels – vortices heten ze – vertonen opmerkelijke overeenkomsten metgewone materiedeeltjes. Als ze teveel bewegen, is de supergeleider opeens niet zo supergeleidend meer.

Supergeleiding vult al 87 jaar lang wetenschappelijke tijdschriften en kranten. Vooral na de ontdekking in 1986 van een nieuwe categorie supergeleiders voorzagen zieners een reeks van spectaculaire toepassingen. Inmiddels is bescheidenheid troef, want supergeleiders zijn lastige dingen. Toch, de supergeleiders vinden langzaam maar gestaag hun weg van laboratorium naar technologie.

Twee typen

De Leidse fysicus Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) was in 1908 de eerste die helium vloeibaar wist te maken. Kamerlingh Onnes en zijn medewerkers lieten op deze koude mijlpaal een tweede volgen: de ontdekking dat kwik beneden een temperatuur van ongeveer vier kelvin (–269°C) supergeleidend wordt.

De Leidse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926).

Supergeleiders zoals kwik zijn van type I. Beneden de kritieke temperatuurTcondergaan ze een faseovergang van normaal geleidend naar supergeleidend: hun elektrische weerstand is dan werkelijk nul. Binnenin de supergeleider kan geen magneetveld aanwezig zijn. Als je er een magneet bij houdt, dan ontstaat in de supergeleider als het ware het spiegelbeeld van die magneet. Het veld van die virtuele magneet is exact tegengesteld aan het veld van de echte magneet, zodat het netto magneetveld in de supergeleider nul is. Precies dat is de oorzaak van het opzienbarende verschijnsel dat een magneet blijft zweven boven een supergeleider: hij wordt afgestoten door zijn virtuele spiegelbeeld, en blijft daardoor hangen.

Binnenin de supergeleider zit natuurlijk geen echte magneet. In de supergeleider lopen elektrische stromen die een magneetveld opwekken dat precies tegengesteld is aan het uitwendige veld. Er zit echter een grens aan dit verschijnsel. Als je de magneet te sterk maakt, dan geeft de supergeleider de pijp aan Maarten. De supergeleidende toestand gaat dan over naar een toestand van normale geleiding.

Supergeleiders van type II reageren anders op een magneetveld. Boven een bepaalde magnetische veldsterkte dringen de veldlijnen in bundels door het materiaal. Pas bij nog hogere magneetvelden verdwijnt de supergeleiding in zijn geheel. Conventionele type-II-supergeleiders zijn over het algemeen legeringen en hebben een kritieke temperatuur beneden 30 kelvin. In 1986 ontdekten de fysici Georg Bednorz (1950) en Alex Müller (1927) hoge-temperatuursupergeleiding. Die treedt op in heel andere materialen: gelaagde, keramische verbindingen gebaseerd op koper en zuurstof. Deze supergeleiders zijn alle van type II. Binnen enkele jaren na hun ontdekking sprong de hoogst bekende kritieke temperatuur (de temperatuur waarbij supergeleiding ontstaat) van 23 kelvin naar 135 kelvin, een temperatuur die boven het kookpunt van vloeibaar stikstof (77 kelvin) ligt. Vloeibaar stikstof is goedkoop en gemakkelijk te maken, wat dit type supergeleider interessant maakt voor toepassingen.

Al in 1957 vonden John Bardeen (1908-1991), Leon Cooper (1930) en Robert Schrieffer (1931) een goede theoretische verklaring voor de supergeleiding. Voor hoge-temperatuursupergeleiding gaat deze theorie echter niet op. De theoretische verklaring vormt tot op heden een van de grote uitdagingen van de theoretische natuurkunde.

In 1986 ontdekten de fysici Georg Bednorz (1950) en Alex Müller (1927) hoge-temperatuursupergeleiding en ontketenden daarmee een ware hype. Zowel de wetenschappelijke wereld als de media voorzagen spectaculaire toepassingen, zodra het nieuwe type supergeleider een beetje handelbaar was gemaakt. Eenvoudige manieren om grote hoeveelheden energie op te slaan in supergeleidende spoelen, supergeleidende hoogspanningskabels en magneettreinen zwevend op supergeleidende elektromagneten zouden de wereld der techniek een ander aanzien geven. Inmiddels is dat enthousiasme danig bekoeld. Het pad van ontdekking naar toepassing van hoge-temperatuursupergeleiders is bezaaid met voetangels en klemmen. Een van de grote obstakels is het ‘pinnen’ of vastzetten van het magneetveld in de supergeleiders.

De door Bednorz en Müller ontdekte supergeleider is een zogenaamde type-II-supergeleider. Die reageert op een bijzondere manier op een aangelegd magneetveld. Zodra het magneetveld een bepaalde waarde overschrijdt, penetreert dat het materiaal, maar blijft de supergeleidende toestand gehandhaafd. De manier waarop dit gebeurt is uniek: het magneetveld splitst zich op in even grote porties. De supergeleider balt elk van deze porties samen in een smal kanaal dat door de supergeleider heen loopt. Binnen de kanalen is een sterk magneetveld aanwezig, terwijl in de rest van het materiaal het magneetveld nagenoeg nul is. De kern van de kanalen is niet-supergeleidend en heeft een diameter van enkele tientallen nanometers. De kern is omgeven door een soort draaikolk van supergeleidende kringstromen (superstromen) die het magneetveld samenballen en voorkomen dat het doordringt in de rest van het materiaal. Zo’n kanaal met kringstromen eromheen heet een vortex, naar het Latijnse woord voor wervel.

Vortices zijn buisjes waarin de magnetische veldlijnen door een supergeleider heen prikken. Zo’n vortex gedraagt zich als een gewone staafmagneet, met een noord- en een zuidpool. Stuur je nu een stroom door de supergeleider, dan ondergaan de vortices een Lorentzkracht, die loodrecht op de stroomrichting en loodrecht op de richting van het magneetveld staat. Een elektrische stroom kan er zo voor zorgen dat de vortices gaan bewegen en energie verbruiken. Dat is nou net wat je niet wilt, want de supergeleider verkrijgt dan alsnog elektrische weerstand. Wil je bijvoorbeeld een supergeleidende spoel maken, dan moet je ervoor zorgen dat je de vortices zo goed mogelijk vastzet (of ‘pint’). Als de vortices niet bewegen, verbruiken ze namelijk ook geen energie. Precies dit pinnen van vortices is een van de belangrijkste obstakels om supergeleiders technologisch te kunnen toepassen.

Eigenschappen

Het Kamerlingh-Onnes-laboratorium in Leiden is vernoemd naar de natuurkundige die als eerste helium vloeibaar wist te maken en later supergeleiding ontdekte. Voor ons onderzoek naar het pinnen van vortices in de nieuwe typen supergeleiders is dus geen mooiere plaats denkbaar. Voor technologische toepassingen is het pinnen van vortices belangrijk, maar de vortices zijn ook vanuit fundamenteel wetenschappelijk oogpunt erg interessant. Vortices in een supergeleider vertonen namelijk zeer bijzondere eigenschappen, waardoor hun gedrag erg veel weg heeft van dat van gewone materiedeeltjes. Vortices kunnen smelten en sublimeren; er zijn vortexvloeistoffen en vortexglazen en vortexgassen.

Als je twee staafmagneten met hun noordpool naar boven naast elkaar houdt, dan voel je dat ze elkaar afstoten. Zo is het ook met vortices, die zich immers gedragen als staafmagneetjes. De onderlinge wisselwerking leidt ertoe dat vortices in een supergeleider een regelmatige structuur vormen met een zo groot mogelijke onderlinge afstand. Die structuur is een verzameling van driehoeken die tegen elkaar aanliggen. Kijk je van boven op de supergeleider, dan zie je de vortices in een honingraatstructuur gerangschikt liggen. In feite kun je zo’n verzameling vortices beschouwen als een tweedimensionaal kristal.

Pinkracht

De zaak wordt gecompliceerder wanneer de supergeleider materiaaldefecten bevat. Door bijvoorbeeld onzuiverheden of fouten in de kristalstructuur zijn de materiaaleigenschappen op bepaalde plaatsen dan net even anders. Het gevolg is dat vortices niet alleen elkaar voelen, maar ook een kracht ondervinden van de materiaaldefecten. Die kracht, de pinkracht, is meestal aantrekkend. De materiaaldefecten heten pincentra. Bij een aantrekkende pinkracht zit een vortex stevig vast aan het defect, vandaar dat het verschijnsel fluxlijnpinning heet. Vortices zijn immers niets anders dan bundels van magnetische fluxlijnen.

Aangezien materiaaldefecten zelden regelmatig zijn verdeeld, gaat het pinnen ten koste van de regelmatige honingraatstructuur die vortices graag aannemen. Bij sterke pincentra verliest het vortexrooster zelfs volledig zijn regelmatigheid. De vortexbuisjes zijn niet langer recht, maar kiezen een grillig pad door de supergeleider om van zoveel mogelijk pincentra profijt te trekken. Ook hun ordening is niet langer regelmatig. Zo’n toestand heet een glas, een tussenvorm tussen een vloeistof en een kristallijne vaste stof. De configuratie van vortices kun je in dat geval vergelijken met de configuratie van atomen in normaal vensterglas: de atomen zijn wanordelijk gerangschikt, zoals in een vloeistof, maar ze bewegen vrijwel niet, zoals in een vaste stof.

VortextoestandenVortices in supergeleiders vertonen in veel opzichten overeenkomsten met gewone materiedeeltjes: ze kunnen zich in verschillende aggregatietoestanden bevinden. In een zuivere supergeleider bij lage temperatuur vormen de vortices een kristallijnen vaste stof. Bij hogere temperatuur ‘smelt’ de vaste stof: de vortices worden flexibel en mobiel. Heeft het supergeleidende materiaal een gelaagde structuur, dan is een vortex geen cilinder maar een stapel pannenkoeken, die bij een hogere temperatuur uit elkaar valt tot een ‘gas’. Fouten in de kristalstructuur van de supergeleider en onzuiverheden oefenen over het algemeen een aantrekkende kracht uit op de vortices. Ze fungeren zo als pincentra. Aangezien de fouten wanordelijk zijn verdeeld, is ook de rangschikking van de vortices wanordelijk. Ze zijn dan echter niet mobiel. Deze toestand heet een glas.

Smelten

De overeenkomst tussen vortices en gewone materiedeeltjes houdt hier niet op. Een volgend verband ontstaat wanneer je de temperatuur in ogenschouw neemt. Vooral in hoge-temperatuursupergeleiders, die bij een veel hogere temperatuur supergeleidend zijn dan traditionele supergeleiders, kan de temperatuursinvloed drastisch zijn. In een gewoon kristalrooster zorgt de temperatuur er voor dat de atomen trillen rond hun evenwichtspositie. Hetzelfde gebeurt met vortices in een supergeleider. Dit leidt ertoe dat het regelmatige honingraatrooster van vortices onder invloed van de temperatuur kan smelten naar een vloeistofachtige toestand, precies zoals dat ook in normale materie gebeurt. De vortexconfiguratie gaat dan van rechte, geordende buisjes (ongekookte spaghetti) naar een wirwar van kromme fluxlijnen (gekookte spaghetti). Opvallend is dat de smeltovergang ongeveer plaatsvindt waar dat bij de meeste gewone stoffen gebeurt: zodra de uitwijking van de thermische beweging van de vortices ongeveer eenzesde van hun onderlinge afstand bedraagt, smelt het rooster tot een vloeistof.

Het verschil tussen het vortexglas en de vortexvloeistof schuilt in de mobiliteit van de vortices. Vortices in een vloeistof zitten niet echt vastgepind. De thermische beweging is voldoende om een vortex voor een bepaalde tijd te bevrijden van de wirwar van pincentra en van de andere vortices. In een vortexglas is de thermische beweging niet voldoende om de vortices te bevrijden, zodat ze in hun ongeordende posities vastgevroren zitten. Juist dit vortexglas is voor technologische toepassingen interessant. Vortices die vastzitten verbruiken geen energie, zodat het vortexglas een echte, weerstandsloze supergeleider is.

Sublimeren

Hoge-temperatuursupergeleiders zijn zonder uitzondering complexe stoffen, verbindingen van vaak wel vijf verschillende chemische elementen met een ingewikkelde kristalstructuur. Vaak heeft het supergeleidende materiaal een gelaagde structuur, zoals bijvoorbeeld mica dat ook heeft. Het materiaal is daardoor sterk anisotroop: de verschillende richtingen zijn niet gelijkwaardig. In feite is het materiaal opgebouwd uit afzonderlijk isolerende en supergeleidende laagjes.

Een vortex in zo’n gelaagde supergeleider is niet simpelweg een cilinder, maar eerder een stapel pannenkoeken. Bij elk supergeleidend laagje hoort een aparte vortexpannenkoek. Het systeem lijkt op een stapel van schijfvormige magneetjes met gelijk gerichte polen, die zich het liefst recht boven elkaar bevinden. Het leuke is dat in dit soort gelaagde materialen het vortexrooster op een andere manier smelt dan in de niet-gelaagde materialen. De stapels komen bij het smelten los van hun roosterposities en worden tegelijkertijd uit elkaar gereten, zodat het lijnachtige karakter van de stapel verloren gaat. Dit verschijnsel noem je geen smelten meer, maar sublimeren. De stapels pannenkoeken gaan over in een losse, ongeordende verzameling pannenkoeken, zodat de resulterende toestand veel weg heeft van een gas.

Een stapel pannenkoeken in een gelaagde supergeleider is lang niet zo stijf als een lijnvortex. Je kunt je gemakkelijk voorstellen dat het verbuigen van een gewone lijnvortex veel meer energie kost dan het verschuiven of lostrekken van twee boven elkaar liggende pannenkoeken. De gelaagde structuur van een hoge-temperatuursupergeleider is dus eigenlijk nadelig: de vortices bewegen te gemakkelijk. De hoge werktemperatuur van de supergeleider draagt daar nog aan bij.

Schieten

Op het Kamerlingh-Onnes-lab in Leiden doen we onderzoek naar het pinnen van vortices. We beginnen daartoe met een kristal dat zo weinig mogelijk materiaaldefecten (pincentra) heeft. De pincentra maken we vervolgens zelf, zodat we precies weten hoe ze eruit zien en waar ze zitten. Dat moet uiteindelijk inzicht geven in hoe dat pinnen nu eigenlijk in zijn werk gaat.

We gebruiken in Leiden kristallen van uitzonderlijk hoge kwaliteit, dus met weinig pincentra, die we vervolgens bestralen met hoogenergetische, zware ionen. We schieten bijvoorbeeld uraan- of loodionen met een zeer hoge snelheid dwars door het kristal. Op de plaats waar het ion het preparaat doorkruist, laat het een spoor van beschadigingen achter, dat bestaat uit amorf, elektrisch isolerend materiaal. Het gevolg van die schietpartij is een verzameling goed gedefinieerde, lineaire pincentra.

Met deze methode, die we door de hoge kosten overigens alleen voor onderzoeksdoeleinden gebruiken, hebben we twee factoren goed onder controle. Ten eerste is de richting waarin we schieten van wezenlijk belang, omdat de materialen zo anisotroop zijn. De richting van de defectlijnen kunnen we perfect variëren door gewoon het preparaat ten opzichte van de ionenbundel te draaien. Ten tweede kunnen we het aantal defectlijnen simpelweg aanpassen door langer of korter te bestralen.

Een recente Leidse studie heeft aangetoond dat pinning eigenlijk bijna alleen maar wordt veroorzaakt doordat de niet-supergeleidende kern van de vortex graag samenvalt met zo’n isolerend ionenspoor. In beide gebieden is het materiaal immers niet supergeleidend. De verstoring van de vortexstromen door omliggende roosterdefecten blijkt veel minder invloed te hebben dan we eerst dachten. Een tweede vondst is dat de vortexmobiliteit veel groter wordt als het magneetveld, dus de vortices, niet meer in dezelfde richting wijst als de defectlijnen. In dat geval treedt pinning namelijk alleen op in de snijpunten van de vortex met de defectlijn, in plaats van over de gehele lijn.

Naast dergelijke lijndefecten kun je ook puntdefecten maken, of zelfs defectvlakken. Onlangs vonden we een nieuwe methode om in supergeleiders pinvlakken te maken. Door veranderingen van de chemische samenstelling tijdens het vervaardigen van het materiaal kunnen we in een hoge-temperatuursupergeleider planaire defecten (dus pinvlakken) met een grote pinefficiëntie maken.

Obstakel

De hype na de ontdekking van Bednorz en Müller in 1986 is inmiddels behoorlijk getemperd. De toepasbaarheid van hoge-temperatuursupergeleiders is lang niet zo groot als we aanvankelijk hoopten. Voor het probleem van de verwerkbaarheid van de materialen zijn inmiddels wel oplossingen. Het grootste obstakel dat nog rest, is het pinnen van de vortices. Teleurstellende pineigenschappen hebben tot het besef geleid dat de supergeleiding niet, zoals we aan het eind van de jaren tachtig hoopten, het wereldbeeld drastisch zullen veranderen. Toch mag het onderwerp zich nog steeds verheugen in een levendige belangstelling van de wetenschap. De European Science Foundation stelde nog onlangs een fors budget beschikbaar voor Europees onderzoek naar vortices in supergeleiders. Bescheiden toepassingen van supergeleiders komen momenteel in zicht. Maar ook helemaal los van alle toepassingen: vortices zijn vanuit puur wetenschappelijk oogpunt bijzonder boeiende dingen. Alleen daarom al is het onderzoek de moeite waard.

Supergeleiding in de praktijk

Supergeleidende hoogspanningskabels, die zonder verlies elektrische energie kunnen transporteren, zouden fantastisch zijn. Het is echter niet haalbaar om die kabels permanent te koelen tot de temperatuur van vloeibaar helium. De opwinding na de ontdekking van hoge-Tc-supergeleiders, die al bij een veel hogere temperatuur supergeleiding vertonen, is dan ook begrijpelijk. Het ideaal zou supergeleiding bij kamertemperatuur zijn, maar dat bestaat (nog) niet.

De toepasbaarheid van supergeleiding is lang zo groot niet als we aanvankelijk dachten. Dat heeft onder meer te maken met de brosheid van de materialen. Die maakt het onmogelijk om er op een normale manier kabels van te trekken. Door het supergeleidende materiaal in te bedden in een buigzaam metaal als zilver, blijkt het inmiddels wel mogelijk om buigzame kabels te maken.

Een al bestaande toepassing van supergeleiding is de sterke elektromagneet gebaseerd op supergeleidende spoelen. MRI-scanners in ziekenhuizen werken bijvoorbeeld vaak met supergeleidende elektromagneten. Ook stroombeperkers en transformatoren in elektriciteitscentrales maken al wel gebruik van supergeleiding. Een totaal ander type toepassing zijn supergeleidende filters voor telecommunicatie, waarmee je veel meer informatie over hetzelfde kanaal kunt versturen.

Supergeleidende elektromagneten kun je ook gebruiken om elektrische energie in op te slaan. In een perfecte supergeleider blijft de stroom immers eeuwig rondlopen. De energie ligt opgeslagen in het magneetveld van de spoel. Door de magneet te ontladen komt de energie vrij.

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 10 april 2004

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.