Waar blijft de supergeleider bij kamertemperatuur?

Afgelopen zomer liep de spanning hoog op in natuurkundelabs over de hele wereld. Er was opeens werk aan de winkel. Zuid-Koreaanse onderzoekers beweerden een materiaal ontwikkeld te hebben dat weerstandsloos, zonder energieverlies, elektriciteit geleidt bij kamertemperatuur en normale druk. Een dergelijke supergeleider die werkt onder alledaagse omstandigheden is een heilige graal in de natuurkunde.

De experts waren sceptisch over het nieuwe materiaal genaamd LK-99. Bijna niemand dacht dat het een supergeleider kon zijn. Toch sprongen ze erop. „Er waren onderzoeksgroepen die hun mensen terugriepen van vakantie om het materiaal na te maken en te testen”, vertelt natuurkundige Milan Allan van de Universiteit Leiden. Binnen een paar weken was het onderzoek door verschillende onderzoeksgroepen gerepliceerd en bleek de claim – zoals verwacht – geen stand te houden. LK-99 was niet de felbegeerde supergeleider bij kamertemperatuur.

Waarom onderbraken natuurkundigen hun zomervakantie als ze zo sceptisch waren over LK-99? „De ontdekking van een supergeleider bij normale temperatuur en druk zou absoluut baanbrekend zijn”, zegt Mazhar Ali van de TU Delft. „Het zou een nieuw tijdperk inluiden voor de moderne technologie.”

Supergeleiders zijn materialen die elektriciteit geleiden zonder weerstand en dus zonder energieverlies. Dit is in tegenstelling tot normale geleiders, waarin de vrije elektronen die de stroom laten lopen tegen atomen in het materiaal kunnen botsen, waardoor ze energie verliezen (en het materiaal opwarmt). Supergeleiding werd in 1911 ontdekt door de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes, die in 1908 in zijn laboratorium in Leiden als eerste helium zo ver afkoelde dat het vloeibaar werd. Tijdens het afkoelen van kwik (Hg) met het ijskoude helium ontdekte hij iets onverwachts. De elektrische weerstand verdween plotseling compleet als hij het metaal afkoelde tot -269°C – vier graden boven het absolute nulpunt van -273,15°C.

Inmiddels zijn er meer supergeleidende materialen ontdekt waarvan sommige gebruikt kunnen worden om uitzonderlijk sterke magneten te maken. Omdat de supergeleiding alleen optreedt als de materialen zijn afgekoeld tot extreem lage temperaturen of onder hoge druk staan, zijn hun toepassingen beperkt tot plekken waar een grote en dure koelinstallatie geen probleem is. Zo worden ze gebruikt in MRI-scanners, experimentele quantumcomputertechnologie en deeltjesversnellers.

Supergeleiders die je niet continu zou hoeven te koelen, zouden tal van energiezuinige toepassingen mogelijk maken. Zoals bijvoorbeeld een zwevende magneettrein die geen last heeft van rolweerstand. Dat is mogelijk dankzij het zogeheten Meissner-effect dat optreedt als je een magneet boven een supergeleider plaatst, of omgekeerd. Er ontstaat dan in de supergeleider een sterke elektrische stroom die een magneetveld opwekt. Dat opgewekte magneetveld is sterk genoeg om het magneetveld van de magneet op te heffen. Daardoor blijft een magneet boven een supergeleider zweven en omgekeerd.

Andere toepassingen van supergeleiders bij kamertemperatuur zijn energiezuinige elektronica, goedkopere MRI-scanners, superefficiënte motoren en elektriciteitskabels waarin nauwelijks verlies optreedt. „Op dit moment gaat ongeveer 15 procent van de elektrische energie die elektriciteitscentrales opwekken verloren voordat je het thuis kunt gebruiken”, zegt Ali. „Supergeleidende kabels zouden dat enorm kunnen terugdringen. Het wordt dan ook mogelijk om zonneparken te bouwen op de meest zonnige plekken op aarde en vanaf daar de stroom efficiënt over de wereld te transporteren.”

Elektronenparen

Hoewel supergeleiders al meer dan een eeuw bestaan, blijkt het lastig om een materiaal te maken dat weerstandsloos elektriciteit geleidt bij normale temperaturen en druk. „Het is niet mogelijk om materialen te pakken die bij extreem lage temperaturen supergeleidend zijn, zoals lood of aluminium, en een beetje aan te passen om ze bij hoge temperaturen te laten werken”, vertelt Allan. Het blijkt dat je compleet nieuwe materialen moet ontwerpen. Theoretici hebben daar geen kant-en-klare recepten voor liggen. De theorie achter supergeleiding is namelijk complex, waardoor het onderzoek tot nu toe vooral experimentgedreven is.

Na de ontdekking van Kamerlingh Onnes duurde het bijna vijftig jaar voordat de Amerikaanse natuurkundigen John Bardeen, Leon Cooper en J. Robert Schrieffer een theoretische verklaring vonden. Hun BCS-theorie, genoemd naar de eerste letter van hun achternamen, wijt de supergeleiding aan het ontstaan van elektronenparen. Bij gewone geleiding transporteren losse elektronen elektrische lading door het materiaal waardoor er een stroom gaat lopen. Die elektronen ondervinden weerstand doordat ze af en toe botsen met bijvoorbeeld atomen of elkaar. Normaal gesproken stoten de negatief geladen elektronen elkaar af. Maar volgens de BCS-theorie kunnen ze onder bepaalde omstandigheden, zoals extreem lage temperaturen, paren vormen. Deze zogeheten Cooperparen kunnen, door een quantummechanisch verschijnsel, wrijvingsloos door het materiaal bewegen waardoor elektriciteit zonder energieverlies door het materiaal stroomt.

Theemok

De BCS-theorie blijkt een goede verklaring voor de supergeleiding in superkoude metalen zoals kwik. Maar in 1986 bleek deze theorie niet het hele verhaal. Dat jaar ontdekten de Zwitserse onderzoekers Georg Bednorz en Alex Müller van het techbedrijf IBM supergeleiding bij maar liefst -235°C. Dat was een grote verrassing omdat fysici destijds dachten dat supergeleiding niet mogelijk is boven de -240°C.

Nog opmerkelijker was dat deze nieuwe vorm van supergeleiding optreedt in een keramisch materiaal, dat normaal gesproken slecht stroom geleidt. „Het materiaal lijkt meer op iets waar je een theemok van maakt dan een elektriciteitsdraad”, zegt Ali.

Binnen minder dan twee jaar ontdekten andere onderzoekers vergelijkbare keramische materialen die bij steeds hogere temperaturen supergeleidend bleken. Sommige hielden het zelfs uit tot boven de -195°C. Dat was een grote vooruitgang, omdat je het materiaal dan niet meer hoeft te koelen met vloeibare helium. Het meer betaalbare en minder schaarse vloeibare stikstof volstaat.

Op dit moment gaat ongeveer 15 procent van de opgewekte elektrische energie verloren voordat je het kunt gebruiken

Hoe enthousiast natuurkundigen destijds waren over hoge-temperatuursupergeleiders bleek in 1987 tijdens een conferentie in New York met een sessie over deze nieuwe supergeleiders. De zaal zat zo vol dat honderden de presentaties vanaf de gang moesten volgen. „Het leek in die tijd of iedereen in de natuurkunde bezig was met supergeleiding”, zegt Ali. Tijdens deze sessie, die nu bekend staat als het ‘Woodstock van de natuurkunde’ leek het erop dat supergeleiders bij kamertemperatuur niet lang meer op zich zouden laten wachten.

Dat bleek optimistisch. Het is ook nog niet gelukt om een theorie te ontwikkelen die deze nieuwe soort supergeleiders volledig kan verklaren. „De verrassende ontdekking van Bednorz en Müller heeft er wel voor gezorgd dat er nog altijd het gevoel heerst dat er ineens een onverwacht materiaal kan opduiken dat supergeleidend blijkt bij kamertemperatuur”, zegt Ali.

Trillingen in het atoomrooster

Hoewel het enthousiasme voor supergeleiding na de piek eind jaren tachtig afnam, bleven er onderzoekers aan werken. Inmiddels zijn er meerder typen supergeleiders bekend, waaronder waterstof bevattende materialen, genaamd hydriden, die onder hoge druk geplaatst moeten worden. De Britse natuurkundige Neil Ashcroft stelde het bestaan van deze materialen voor. Hij beredeneerde dat puur waterstof en hydriden onder hoge druk zouden kunnen veranderen in materialen die bij relatief hoge temperaturen supergeleidend kunnen zijn.

De reden is dat trillingen in het atoomrooster van een materiaal een handje helpen bij het ontstaan van de elektronenparen die nodig zijn voor supergeleiding. Een atoomrooster dat grotendeels uit lichte waterstofatomen bestaat trilt sneller dan een rooster met zwaardere atomen. Snellere trillingen zorgen voor sterker gekoppelde elektronenparen en dus robuustere supergeleiding. Dit vereist wel immens hoge druk. Om die druk wat te kunnen verlagen stelde Ashcroft in 2004 voor om waterstof te combineren met zwaardere atomen. De waterstofatomen zouden dan een kooitje vormen om de zwaardere atomen. Dat levert een structuur op die bij mindere hoge druk intact blijft.

Er is geen fundamentele reden waarom het níet zou kunnen

De afgelopen tien jaar hebben natuurkundigen verschillende van deze hydriden onderzocht. Zo ontdekten ze in 2015 dat zwavelhydride (H₂S) supergeleidend is tot -70°C. En lanthaanhydride (LaH₁₀) tikte in 2018 -20°C aan. Deze materialen moeten wel nog steeds samengeperst worden met een druk die in de buurt komt van de druk in de aardkern. Dat is meer dan een miljoen keer de atmosferische druk. Dat is alleen haalbaar als je het materiaal samenperst tussen twee diamanten – andere materialen kunnen die druk niet aan. Hoewel deze supergeleiders wetenschappelijk gezien interessant zijn, zijn ze door de benodigde hoge druk totaal ongeschikt voor praktische toepassingen.

Supergeleiding bij hoge druk en bijna kamertemperatuur (15°C) leek bereikt in 2020 door de onderzoeksgroep van Ranga Dias van de universiteit van Rochester. De groep gebruikte een mengsel van waterstof, zwavel en koolstof. Maar er kwam al snel kritiek op de manier waarop de groep van Dias de metingen had geanalyseerd. Om supergeleiding aan te tonen moet je demonstreren dat de elektrische weerstand bij een bepaalde temperatuur verdwijnt. Daarnaast moet je het Meissner-effect aantonen door te laten zien dat het materiaal een extern magneetveld afstoot. Met name de tweede meting is complex als je materiaal vastgeklemd zit tussen twee diamanten. Daarom zijn er indirecte metingen nodig. De manier waarop dat gedaan was, bleek twijfelachtig. Bovendien kregen andere onderzoekers het niet voor elkaar om de resultaten te reproduceren. De publicatie van Dias werd in 2022 teruggetrokken.

Desondanks kwam Dias’ groep begin dit jaar met een nog groter resultaat. Een mengsel van waterstof, stikstof en lutetium zou na productie onder hoge druk supergeleidend zijn bij 21°C en ‘slechts’ tienduizend keer de atmosferische druk. Ook dit hebben andere onderzoekers nog niet kunnen reproduceren, wat argwaan oproept. Daarbij helpt het niet dat er inmiddels een onderzoek loopt naar Dias naar aanleiding van beschuldigingen over datamanipulatie en plagiaat in eerder werk.

Topje van de ijsberg

Ondanks de niet-reproduceerbare resultaten van Dias en de conclusie dat LK-99 een fata morgana was, blijven Allan en Ali hoopvol. „Ik ben nog steeds enthousiast over supergeleiding bij normale temperatuur en druk”, zegt Allan. „Er zijn natuurkundigen die denken dat ik mijn tijd verdoe met dit onderzoek omdat het niet mogelijk is. Maar ik denk dat ze ongelijk hebben. Er is geen fundamentele reden waarom het níet zou kunnen.”

Ali sluit zich daarbij aan: „Ik geloof er sterk in dat het mogelijk is. Er wordt gestaag vooruitgang geboekt en we zijn er nog maar 150 graden vandaan. Bij hoge druk zelfs minder. Bovendien hebben we pas het topje van de ijsberg onderzocht. Er zijn nog zo veel materialen mogelijk. Ik denk dat het niet de vraag is óf we supergeleiding bij normale temperatuur en druk zullen vinden, maar wanneer. Ik hoop dat ik het nog mag meemaken.”