Supergeleiding — Waarom al die opwinding?

OP DE bodem van wat lijkt op de onderste helft van een polystyreen koffiebekertje, bevindt zich een schijfje van een of ander zwart materiaal ter grootte van een klein knoopje. Boven op het schijfje ligt een nog kleiner blokje metaal. Voorzichtig en beetje bij beetje giet de jonge student een rokende vloeistof in het bekertje. Iedereen rond de tafel kijkt met gespannen aandacht toe.

Er klinkt aanvankelijk een flink gesis zodra de vloeistof met het bekertje in aanraking komt. Maar al gauw wordt alles weer rustig en komt de lucht tot bedaren. Dan komt het metalen blokje schokkerig in beweging alsof het danst. Opeens verheft het zich boven het schijfje en blijft in de lucht hangen! De student neemt een rondgebogen ijzerdraadje en beweegt het onder het metalen blokje door. Geen trucs, geen slimmigheidjes — het blokje zweeft!

Dat was een experiment met supergeleiding, uitgevoerd door een groep leerlingen van een Californische middelbare school. Nog maar zo’n twee jaar geleden kon een dergelijk experiment slechts worden verricht in moderne researchlaboratoria met ingewikkelde apparatuur en een flinke financiële ondersteuning. Het feit dat middelbare scholieren momenteel tot zo iets in staat zijn, geeft een indicatie van het snelle tempo waarin de ontwikkelingen op dit gebied zich voordoen.

Het tijdschrift Time wijdde vorig jaar mei een hoofdartikel aan het onderwerp met als titel „Supergeleiders! — De opzienbarende doorbraak die onze wereld zou kunnen veranderen”. Newsweek noemde het „Een nieuwe elektronische revolutie”. Het tijdschrift Life gaf zijn artikel de titel „Snelbuffet-fysica”, daarmee zinspelend op de snelheid waarmee de dingen zich op dit gebied ontwikkelen. Wat is supergeleiding nu precies? En waarom al die opwinding?

Een ideaal waarnaar lang is gezocht

Geleiding zou men kunnen definiëren als de mate waarin een stof in staat is een elektrische stroom over te brengen. De meesten van ons weten dat materialen zoals glas en porselein geen elektriciteit geleiden. Metalen zoals koper, goud en platina daarentegen zijn goede geleiders omdat ze betrekkelijk weinig weerstand bieden aan de elektrische stroom die erdoorheen gaat. Van supergeleiding spreekt men bij een totale afwezigheid van elektrische weerstand in een stof — de ideale toestand waarin elektriciteit onbelemmerd en zonder verliezen kan stromen.

Geleerden zagen reeds lang welke enorme mogelijkheden er in een dergelijk ideaal materiaal — een supergeleider — opgesloten liggen. Elektriciteitstransmissie via supergeleiders bijvoorbeeld zou niet alleen het enorme energieverlies ten gevolge van de weerstand in conventionele kabels opheffen, maar ook de ontsierende en dure hoogspanningslijnen die kriskras door het landschap lopen overbodig maken. Het gebruik van supergeleiders zou het mogelijk maken zeer compacte supercomputers te bouwen die met tot dusver onbereikbare snelheden werken. De ongewone magnetische eigenschappen van supergeleiders zouden kunnen leiden tot een nieuwe generatie krachtige elektromagneten waardoor nog in het experimentele stadium verkerende dingen als medische scanners, supersnelle zweeftreinen, gigantische deeltjesversnellers en zelfs energie uit kernfusie haalbaar zouden worden.

Hoe fascinerend dat alles ook zijn mag, er zit één addertje onder het gras. Geleerden zijn er al meer dan 75 jaar van op de hoogte dat bij bepaalde metalen supergeleiding optreedt, maar alleen wanneer ze tot extreem lage temperaturen van wel honderden graden onder het vriespunt worden gekoeld. In 1911 kwam de Nederlandse geleerde Heike Kamerlingh Onnes bij toeval als eerste op het spoor van supergeleiding. Hij had pas een methode ontwikkeld om het gas helium vloeibaar te maken, waarvoor hem in 1913 de Nobelprijs werd toegekend, en onderzocht nu het effect dat lage temperaturen op verschillende metalen hebben. Tot zijn verrassing ontdekte hij dat kwik iedere elektrische weerstand verliest bij -269° Celsius of 4 K, vier graden boven wat geleerden het absolute nulpunt op de temperatuurschaal van Kelvin noemen.a

Hoewel supergeleiding heel toevallig werd ontdekt, zag men al spoedig de waarde ervan in. De extreem lage temperatuur, de zogeheten sprongtemperatuur of kritische temperatuur, waarbij het materiaal supergeleidend werd, vormde echter een ernstige handicap. De hoge kosten en de moeilijkheden die kleefden aan het werken met zulke lage temperaturen beperkten de praktische toepasbaarheid ervan. In de daaropvolgende decennia experimenteerden geleerden met andere materialen in de hoop iets te vinden dat bij een hogere temperatuur supergeleidend zou worden. Maar men vorderde slechts langzaam.

In de loop der jaren traden er echter andere eigenschappen van supergeleiders aan het licht. Een van de belangrijkste ontdekkingen, die in 1933 werd gedaan, was dat een supergeleider die in een magnetisch veld wordt geplaatst, de magnetische flux niet doorlaat maar die afstoot of erdoor afgestoten wordt. Dit verschijnsel, dat het meissnereffect wordt genoemd, veroorzaakt het zweven dat gedemonstreerd werd in het experiment van de middelbare scholieren. De ontdekking ervan leidde tot een hernieuwde speurtocht naar supergeleiders bij hogere temperaturen. Niettemin vorderde men slechts met een slakkegang. Nog in 1973 was het beste dat men had gevonden een metaallegering die supergeleidend werd bij 23 K of -250 °C, nog altijd een onpraktisch lage temperatuur. En de daaropvolgende twaalf jaar bleef alles min of meer stilstaan.

Een stijging in de temperatuur!

De gebeurtenissen kregen een nieuwe wending toen twee geleerden op het IBM-researchlaboratorium in Zürich (Zwitserland) op het idee kwamen dat andere geleerden wellicht weinig succes hadden omdat zij zich met het verkeerde soort materiaal bezighielden. Tot op die tijd hadden de meeste onderzoekingen metalen en metaallegeringen gegolden. „Ik raakte ervan overtuigd dat er langs die weg geen verdere vorderingen gemaakt konden worden”, zei Alex Müller, een van de twee geleerden.

Müller en zijn partner, Georg Bednorz, begonnen in 1983 te experimenteren met metaaloxiden. Omstreeks het begin van 1986 boekten zij de eerste grote vooruitgang in jaren, supergeleiding bij 35 K of -238 °C, door een verbinding te gebruiken die bestond uit barium, lanthaan, koper en zuurstof. Toen het nieuws ten slotte in september 1986 werd gepubliceerd, was de wetenschappelijke wereld volkomen verrast. Het materiaal dat door de geleerden op het Zwitserse laboratorium was gebruikt, een keramische substantie, was normaal gesproken een isolator, en niemand zou vermoeden dat hiermee de grootste doorbraak in tientallen jaren zou komen.

In snelle opeenvolging werd het ene nieuwe record na het andere gebroken. Omstreeks februari 1987 werd door een team onder leiding van C. W. Chu van de University of Houston supergeleiding in een materiaal ontdekt bij een temperatuur van 93 K of -180 °C door het lanthaan in Müllers mengsel te vervangen door yttrium, een van de andere zogeheten zeldzame aardmetalen.

Deze prestatie kenmerkte het begin van een nieuwe episode in de supergeleiding bij hoge temperaturen. Tot die tijd moest vloeibaar helium worden gebruikt om de materialen die men wilde onderzoeken op de vereiste lage temperatuur te brengen — een zeer kostbaar en ingewikkeld proces. Door de nieuwe ontdekking kon men nu voor de koeling vloeibare stikstof gebruiken, die vloeibaar wordt bij 77 K of -196 °C. Vloeibare stikstof is gemakkelijk verkrijgbaar, kost slechts ongeveer evenveel als melk en kan zonder ingewikkelde apparatuur worden gebruikt. Dit, gepaard met het feit dat het materiaal ook gemakkelijk te vervaardigen en goedkoop is, was een van de belangrijke factoren waardoor het onderzoek naar supergeleiding een extra stimulans kreeg.

Het uiteindelijke doel was natuurlijk een stof te vinden die supergeleidend zou zijn bij kamertemperatuur, waarbij koeling totaal overbodig zou zijn, en geleerden over de hele wereld zijn hier naarstig naar aan het speuren. Er zijn trouwens hier en daar al berichten opgedoken over „vluchtige sporen” van supergeleiding bij kamertemperatuur.

Tegen het eind van mei 1987 hadden Chu en zijn team hun eigen record verbeterd. Zij ontdekten dat een klein gedeelte van een proefmengsel supergeleidend werd bij 225 K of -48 °C, maar slechts intermitterend, met tussenpozen. „Je kunt het eenmaal waarnemen,” zei Pei-Heng Hor, een lid van het team, „dan verdwijnt het na een tijdje, maar je kunt het opnieuw zien.” Een andere groep aan de University of California in Berkeley meldde het optreden van supergeleiding bij 292 K of 19 °C in een substantie waarmee zij werkten, maar zij waren niet in staat het resultaat te reproduceren.

Staan wij op de drempel van een gouden tijdperk?

Door al het opwindende nieuws over supergeleiders hebben veel mensen de indruk gekregen dat wij nu op de drempel staan van een nieuw tijdperk, een gouden eeuw op technologisch gebied. Ons leven staat op het punt te veranderen, zeggen zij, net zoals het veranderde door in het verleden gedane uitvindingen als het elektrisch licht en de transistor. Staan al de wonderbaarlijke dingen die door supergeleiders mogelijk zouden worden, werkelijk vlak voor de deur?

Om te beginnen „zal er een veel vollediger fundamenteel wetenschappelijk inzicht moeten worden verkregen voordat wij in staat zullen zijn om supergeleiding algemeen toe te passen”, was het commentaar van Erich Bloch, directeur van het Amerikaanse Nationale Wetenschappelijk Genootschap. Geleerden zijn er tot dusver niet in geslaagd definitieve antwoorden te geven op de vraag waarom de keramische materialen van menselijke makelij op die manier werken.

Met het oog daarop zijn veel deskundigen van mening dat het waarschijnlijk jaren zal duren voordat supergeleiders het experimentele stadium zijn ontgroeid en praktische toepassing zullen vinden. „Deze materialen hebben een groot potentieel, maar de termijn die de pers stelt, is verkeerd”, zegt een onderzoeker van het Amerikaanse Nationale Normalisatie-Instituut. „Het zal vijf jaar duren voordat ze in dunne films in computers zullen verschijnen, en wel twintig jaar voordat wij ze in het groot toegepast zullen zien.”

Eén obstakel is het feit dat de materialen die bij hoge temperatuur supergeleidend worden, niet zo eenvoudig te bewerken zijn als metalen. Evenmin kunnen deze broze materialen gemakkelijk worden gebogen, zoals iedereen weet die ooit een aardewerken of porseleinen bord heeft laten vallen. Maar wil men supergeleiders een praktische toepassing geven, dan moeten ze worden verwerkt tot draden en dunne films. In computers en geïntegreerde elektronische circuits bijvoorbeeld zouden ze moeten worden toegepast in de vorm van films van slechts een fractie van een micron dik. Motoren en magneten hebben dunne, buigzame draden voor hun spoelwikkelingen nodig, en hoogspanningsleidingen moeten sterk en flexibel zijn.

Wat de zaken nog ingewikkelder maakt, is dat geleerden niet zeker weten of de supergeleidende materialen in staat zijn de grote hoeveelheden stroom of sterke magnetische velden te verwerken die voor veel toepassingen nodig zijn. Alle supergeleiders hebben een drempel waarboven ze hun supergeleiding verliezen. Op het moment is die drempel betrekkelijk laag. Wellicht kunnen al deze problemen worden opgelost — maar niet van de ene op de andere dag.

Er zit echter een onheilspellender kant aan de zaak. Nu reeds is er sprake van het toepassen van supergeleiders in met deeltjes of gerichte energie werkende ruimtewapens! Zal supergeleiding de zegen blijken te zijn die iedereen voorspelt en waar iedereen op hoopt, of zal het net zo gaan als met andere revolutionaire uitvindingen uit het verleden, zoals het buskruit en kernsplijting? Dat is een vraag waarop klaarblijkelijk niemand bereid is een antwoord te geven.

[Voetnoten]

[Kader op blz. 21]

Het potentieel van supergeleiders

„Doelmatige stikstof-gekoelde supergeleiders zouden de nutsbedrijven miljarden kunnen besparen — en voldoende energie besparen om 50 of meer elektriciteitscentrales op te doeken”, verklaart Business Week. Supergeleidende generators en hoogspanningsleidingen zouden ook krachtiger energiecentrales op grotere afstand van de steden mogelijk maken, waardoor vervuiling, kosten en gevaren zouden verminderen.

Maglevs — magnetische levitatietreinen — met snelheden tot 480 kilometer per uur kunnen praktisch uitvoerbaar worden door weinig wegende supergeleidende magneten. Elektrische auto’s, aangedreven door efficiënte supergeleidende motoren, kunnen de luchtvervuiling in de steden beperken. Zelfs schepen kunnen door zulke motoren voortgestuwd worden.

Apparaten met supergeleidende microchips die duizendmaal sneller zijn dan siliciumtransistoren, zijn reeds in ontwikkeling. Toekomstige computers zullen door gebruikmaking van zulke chips niet alleen sneller zijn, maar veel minder warmte afgeven en daardoor ook compacter zijn. Bureaucomputers zullen even krachtig zijn als de grote centrale verwerkingseenheden van vandaag.

Met NMR’s (nucleaire magnetische resonantiescanners) en SQUID’s (supergeleidende quantuminterferentie-apparaten) kan men in het menselijk lichaam kijken en hersengolven waarnemen. De kostenbesparing en vereenvoudiging door gebruikmaking van supergeleiders kunnen deze apparatuur binnen het bereik van gewone ziekenhuizen en klinieken brengen.

Het potentieel voor supergeleiders is groot. Hoeveel daarvan zal verwezenlijkt worden?

[Illustratieverantwoording op blz. 19]

IBM Research