Honderd jaar supergeleiding

Deze gastbijdrage is van Aron Beekman, promovendus theoretische natuurkunde aan de Universiteit Leiden.

Precies 100 jaar geleden, op 8 april 2011, konden Heike Kamerlingh Onnes en zijn medewerkers in het natuurkundig laboratorium aan het Steenschuur te Leiden hun ogen niet geloven. Bij het meten van de elektrische weerstand aan kwik verdween die weerstand plotseling toen het kwik afgekoeld werd tot 4.2 graden boven het absolute nulpunt (-273°C). Onnes had het fenomeen van supergeleiding ontdekt. Deze extreme temperatuur realiseerde hij doordat hij kort daarvoor als eerste ter wereld het edelgas helium tot vloeibare toestand had gedwongen. Hiervoor werd hij in 1913 beloond met de Nobelprijs.

Om deze historische gebeurtenis in de natuurkunde te vieren worden dit jaar over de hele wereld evenementen en activiteiten georganiseerd. En aanstaande vrijdag zal op de plaats van de ontdekking zelf, in Leiden, een speciaal symposium gehouden worden om de ontdekker en zijn nalatenschap te eren. Maar wat is supergeleiding eigenlijk, waarom is het zo’n bijzonder verschijnsel en hoe kwam de ontdekking tot stand? Over dat laatste kwam pas dit jaar echte duidelijkheid.

Heike Kamerlingh Onnes

Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) was een Groninger die in 1882, drie jaar na zijn promotie, in Leiden een aanstelling tot hoogleraar aanvaarde door een oratie met de ambitieuze titel “De annunciatie van de moderne experimentele fysica in Nederland”. Onnes had een visie om lichte gassen vloeibaar te maken en daardoor zeer lage temperaturen te bereiken en zette meteen alle middelen in om dat te bewerkstelligen. Door seculiere en wetenschappelijke tegenslagen werd hij net gescoopt door James Dewar te Londen die als eerste de vloeibare vorm van waterstof produceerde in 1898. Onnes had echter grotere plannen, en richtte zijn laboratorium, gevestigd op de plek waar in 1807 de buskruitramp plaatsvond, zo in dat er op grote schaal vloeibare lucht (stikstof) en waterstof konden worden geproduceerd. Hiermee konden talloze experimenten bij lage temperaturen gedaan worden, én onderzoek naar het vloeibaar maken van het laatste nog niet bedwongen gas: helium.

Omdat helium een edelgas is en dus weinig interacties met andere stoffen en zichzelf aangaat, wordt het pas bij zeer lage temperatuur vloeibaar. Onnes wist waar hij mee bezig was en zette een haast industriële productielijn op om die te bereiken. Zo richtte hij de nog altijd actieve Leidse Instrumentmakers School op om de juiste glazen en metalen onderdelen te fabriceren. Na meer dan 25 jaar lukte het dan in 1908 om helium vloeibaar te krijgen. Dat de rigoreuze en professionele aanpak noodzakelijk was, blijkt uit het feit dat het tot 1923 duurde tot een ander laboratorium in Toronto lukte om, na aanwijzigen van Onnes, ook vloeibaar helium te maken. Nog altijd is Leiden één van de weinige universiteiten ter wereld die een eigen heliumliquefactor hebben.

De ontdekking van supergeleiding

Alle materialen hebben eigenschappen die variëren met af- of toenemende temperatuur; zo bevriest water bij 0°C. En met het vloeibare helium konden nieuwe experimenten gedaan worden bij temperaturen die daarvoor nooit gerealiseerd waren. Eén van de uitstaande vragen was het gedrag van elektrische weerstand van metalen bij deze lage temperaturen. Normaliter is die weerstand rechtevenredig met de temperatuur, net als de druk van een gas, een fenomeen dat tot de voorspelling van het absolute nulpunt leidde. Maar er waren afwijkingen van deze wetmatigheid gevonden bij lage temperaturen. Er waren drie theorieën in omloop:

I. Bij lage temperatuur “condenseren” de elektronen op het metaalrooster, waardoor ze niet meer kunnen bewegen. De weerstand gaat naar oneindig groot.

II. De totale weerstand bestaat uit een elektronendeel, en een restweerstand met andere origine. Bij lage temperatuur gaat de weerstand naar een kleine maar niet-nul waarde.

III. Het onderliggende metaalrooster is verantwoordelijk voor de weerstand. Bij lage temperatuur verdwijnen de trillingen daarvan, en derhalve zal de weerstand naar nul gaan.

Hier is een figuur met het kwalitatieve gedrag van de weerstand volgens deze theorieën (de stippellijn geeft een rechtevenredig verband weer):

Onnes liet een gecompliceerd buizenstelsel ontwikkelen, waarin kwik, dat door destillatie tot zeer zuivere vorm te krijgen is, met vloeibaar helium afgekoeld kon worden. Met platinadraden kon een stroom door het kwik gestuurd worden en zo de weerstand gemeten. Hieronder zijn de originele resultaten van Onnes over de bovenstaande figuur gelegd:

Een ontdekking over de ontdekking

Jarenlang zijn de details over de precieze totstandkoming van de metingen onduidelijk geweest: het labjournaal leek zoek, en er waren geruchten al zou Onnes niet aanwezig zijn geweest op het moment dat de weerstand verdween. Men dacht aan kortsluiting als verklaring van de verdwijnende weerstand, en pas toen zijn assistent in slaap gevallen zou zijn waardoor de temperatuur opliep en de weerstand plots weer terug kwam, accepteerde men de metingen. Dit soort verhalen zijn natuurlijk prachtig, maar ook snel geboren en makkelijk doorverteld.

Met de aanstaande viering van de 100^e verjaardag van supergeleiding op het programma, besloot prof. Peter Kes van het huidige Kamerlingh Onnes laboratorium de oude notitieboekjes van Onnes nog eens door te spitten. Onnes had een verkeerd jaartal, 1910 in plaats van 1911, bij een ander experiment genoteerd, waardoor op de omslag de aanduiding ‘1909-1910’ was komen staan. Kennelijk heeft men het boekje zelf niet verder ingekeken. Het verslag van de betreffende 8 april is dus wel degelijk bewaard. Hieruit blijkt dat Onnes zeker bij de experimenten aanwezig was. Hij volgt de koeling van het helium, en schrijft om vier uur ’s middags de historische woorden: Kwik nagenoeg nul.

Tevens ziet Onnes dat bij een lagere temperatuur van ongeveer 2K (-271°C) het helium plots helemaal stil is komen te staan, het borrelt niet meer. Hij noteert:

Opgemerkt moet nog worden, dat juist voor het bereiken van de laagste temp. Het koken plotseling ophield en vervangen werd door een verdampen, waarbij de vloeistof duidelijk zichtbaar wegslonk, een opvallend sterke verdamping aan ’t oppervlak dus.

Dit is een ander belangrijk quantumverschijnsel dat we nu als superfluïditeit kennen. Het is wel karakteristiek voor Onnes dat zijn rechtlijnige en autoritaire denken hem beletten het belang hiervan te onderkennen, en het verschijnsel nader te onderzoeken. De ontdekking, dat wil zeggen, ook het benoemen van deze toestand, is vervolgens pas in 1937 gedaan.

Wat is supergeleiding?

Normale metalen geleiden een elektrische stroom goed, maar altijd met een zekere weerstand, waardoor er verlies door warmteproductie optreedt. Daarentegen geleidt een isolator zoals hout of plastic de stroom zeer slecht of niet. Maar een supergeleider heeft een weerstand van precies nul. Het is een perfecte geleider. Zo is het aangetoond dat een eenmaal opgewekte stroom in een supergeleider maandenlang kan blijven lopen zonder dat er verlies optreedt! Daarnaast vertonen supergeleiders het zogenaamde Meissner-effect: een supergeleider verdrijft een magnetisch veld helemaal naar buiten. Dit laatste effect wordt mooi gedemonstreerd door zwevende magneetjes, en moet uiteindelijk tot MagLev-treinen leiden.

Supergeleiders worden daarom inmiddels voor meerdere toepassingen gebruikt. Doordat er grote stromen zonder warmteontwikkeling kunnen lopen, zijn ze bij uitstek geschikt voor het opwekken van grote magneetvelden. Dit gebeurt onder meer in MRI-scanners en bij deeltjesversnellers als de LHC. Eenieder zal ook meteen aan transport van elektriciteit denken, aangezien normale kabels toch voor zo’n 5-10% verlies zorgen over lange afstanden. Inmiddels zijn supergeleidende kabels commercieel beschikbaar. Andere toepassingen zijn in zeer gevoelige detectoren van magneetvelden en als hoge-kwaliteitsfilter van elektrische signalen, in bijvoorbeeld GSM-masten.

De meeste van deze toepassingen zijn pas vrij recent ontwikkeld. Supergeleiding treedt namelijk alleen op bij zeer lage temperaturen. Lang was het record niet hoger dan zo’n 20K (-253°C), inmiddels zijn er supergeleiders die het tot ongeveer 140K (-133°C) doen. Eén van de belangrijkste vraagstukken op dit moment is wat de hoogst mogelijke temperatuur is waarbij supergeleiding nog optreedt, en of deze een fundamentele bovengrens heeft. Waarbij kamertemperatuur een magische grens is omdat je dan supergeleidend materiaal kan gebruiken zonder het te hoeven koelen.

Waarom is supergeleiding interessant?

Ik wil hier niet te diep ingaan op hoe supergeleiding werkt, met name omdat dit pas in de jaren ’50 van de twintigste eeuw bevredigend is opgeschreven, en er ook nog essentiële vragen open staan. Er zijn meerdere goede introducties beschikbaar. In twee zinnen: in gewone metalen wordt de lading ruwweg gedragen door elektronen, die continu tegen het onderliggende metaalrooster botsen wat tot opwarming leidt. In een supergeleider verbinden de elektronen zich tot zogenaamde Cooper-paren, die de bijzondere eigenschap hebben zich als collectief te gedragen waarbij er geen botsingen met het rooster meer zijn. Het is een puur quantummechanisch effect zonder directe evenknie in onze belevingswereld; het heeft echter weer veel weg van laserlicht, waarin alle lichtgolven ook als collectief opereren.

Naast de mogelijke technologische toepassingen, is supergeleiding een razend interessant studie-object. Supergeleiding is de eerst gevonden manifestatie van zulk collectief quantumgedrag. Vaak wordt quantummechanica uitgelegd als de theorie van het allerkleinste, zoals elementaire deeltjes en individuele atomen. Maar quantummechanica heeft veel verder strekkende gevolgen: het verklaart de essentie van “rigiditeit”, het verschijnsel dat wanneer ik tegen de ene kant van een tafel duw, de andere kant in beweging komt. Hetzelfde geldt binnen een supergeleider: alle Cooper-paren gedragen zich als één geheel, en door er een elektrische spanning over te zetten breng je dat geheel in beweging. Je kunt een supergeleider dus gebruiken om te leren over de subtiliteiten van quantummechanica.

Een andere parallel is die met het Higgs-mechanisme. Iedereen heeft inmiddels wel eens van de zoektocht naar het Higgs-boson gehoord, waarvoor sinds ruim een jaar de LHC van CERN bij Genève operationeel is. Dit Higgs-boson heeft interactie met andere elementaire deeltjes als quarks, waardoor deze massa verkrijgen. Dit lijkt ver weg te staan van de kleine laboratoria met brokjes supergeleider. Maar het Meissner-effect is in feite ook een Higgs-mechanisme: elektromagnetische golven (zoals licht en magneetvelden) bestaan uit massaloze deeltjes genaamd fotonen. In een supergeleider hebben de fotonen echter een dusdanige interactie met de collectieve Cooper-paren, dat ze een effectieve massa verkrijgen. Hierdoor kunnen ze niet meer ongestoord verder reizen, en daardoor niet in de supergeleider doordringen. Op deze wijze worden magneetvelden naar buiten gedrukt. Supergeleiders kun je dus ook gebruiken om bepaalde details van het Higgs-mechanisme te bestuderen.

Meer informatie online

Achtergrond

• De biografie van Heike Kamerlingh Onnes is als proefschrift geschreven in 2005 door Dirk van Delft. Lovenswaardig genoeg staat deze integraal online.
• Ontdekking supergeleiding was geen geluk bij een ongeluk, Volkskrant 28 januari 2011.
• The discovery of superconductivity, Dirk van Delft en Peter Kes, Physics Today september 2010, Europhysics News, jan-feb 2011.
• Theorie van supergeleiding: totstandkoming en mislukte pogingen.

Evenementen

• Symposium 100 jaar supergeleiding, waarbij onder meer een IEEE Milestone Award onthuld zal worden.
• Superconductivity Centennial Conference in Den Haag, later dit jaar.
• Speciale sessie over supergeleiding op FYSICA 2011, 15 april op de VU, Amsterdam.
• 100 gratis artikelen over supergeleiding van het Institute of Physics Publishing