Naar de content

Supergeleiding weer iets 'warmer'

Waterstofsulfide onder druk tot -70 graden Celsius weerstandsloos

Mai-Linh Doan via CC BY-SA 3.0

Waterstofsulfide is onder hoge druk tot zeventig graden onder nul supergeleidend. Dat hebben Duitse wetenschappers aangetoond. Daarmee is het de ‘warmste’ bekende supergeleider. Het is een stapje richting supergeleiding bij kamertemperatuur, maar of dat ooit gaat lukken is nog steeds erg twijfelachtig.

9 juli 2015
Supergeleiding kruipt richting kamertemperatuur

Lathaanhydride is met -23 graden Celsius de nieuwe recordhouder voor supergeleiding bij hoge temperatuur. Dat schrijven onderzoekers op 23 mei 2019 in het wetenschappelijke tijdschrift Nature. Dat is een stuk warmer dan het vorige record (van dezelfde wetenschappers) van -70 waarover NEMO Kennislink al schreef. Supergeleiding maakt weer een stap richting kamertemperatuur, met wellicht toepassing in bijvoorbeeld elektriciteitskabels die stroom zonder verliezen vervoeren.

Voor deze recordpoging zijn wel twee diamantpunten nodig waartussen een druk van een miljoen keer onze atmosfeer wordt gegenereerd. Bij die druk worden chemische verbindingen gevormd die bij een lage druk niet stabiel zijn. Gezien die voorwaarde is deze vinding voorlopig niet toepasbaar. Toch hopen de wetenschappers in de toekomst ook materialen te vinden die bij een lagere druk ook zo warm supergeleidend zijn.

Waterstofsulfide zorgt niet alleen voor een ‘rotte eieren-geur’ maar het is ook natuurkundig gezien erg interessant. Duitse wetenschappers van onder meer het Max-Planck-Instituut voor Chemie in Mainz hebben bewijs gevonden dat het supergeleidend is tot een temperatuur van -70 graden Celsius. Ze stelden het materiaal hiervoor bloot aan een druk van maar liefst twee miljoen keer de atmosfeer.

De resultaten bevestigen eerdere experimenten uit december. Het materiaal heeft bij lage temperatuur een verwaarloosbare weerstand, en nu blijkt dat waterstofsulfide ook magneetvelden buitensluit. Samen zijn dat de belangrijkste eigenschappen van een supergeleider. De resultaten verschenen recentelijk in een voorpublicatie op de website arXiv.

Een persoon krijgt een MRI-scan.

Een MRI-scanner.

 NIH via CC BY-NC 2.0

MRI-scanners en zweeftreinen

We hebben allemaal dagelijks met elektrische weerstand te maken. Eigenlijk is elk apparaat dat warm wordt een gevolg van die weerstand. Of het nu een computer, stofzuiger of elektrische oven is. Een stroom die door een materiaal gaat en daarbij wordt tegengewerkt genereert warmte.

Maar dat is niet het geval bij een materiaal dat geen enkele weerstand heeft: een supergeleider. En dat is interessant. Je kunt met een supergeleider elektriciteit vervoeren, zonder verliezen. Maar wellicht belangrijker: er zijn ijzersterke elektromagneten mee te maken. Supergeleidende elektromagneten zijn wijdverspreid in vooral de wetenschap maar ook daarbuiten. Je vindt ze terug in MRI-scanners, in maglevtreinen en in krachtige deeltjesversnellers.

Er is een nadeel: elke supergeleider die we kennen werkt doorgaans alleen bij ultralage temperaturen. Daarom worden MRI-scanners eens in de zoveel tijd met vloeibaar stikstof en waterstof gevuld. Op die manier blijven de magneten op enkele graden boven het absolute nulpunt (-273 graden Celsius). Dat kan wellicht beter. Sinds de ontdekking van supergeleiding in 1911 door de Nederlander Heike Kamerlingh Onnes (zie kader) zoeken wetenschappers ijverig naar nieuwe materialen die bij veel hogere temperaturen supergeleidend zijn. En waterstofsulfide claimt nu een plekje bovenaan de lijst.

Magneetvelden buitensluiten

Om aan te tonen dat waterstofsulfide supergeleidend is, gingen de Duitse wetenschappers aan de slag met een minuscule hoeveelheid van het stofje (het past in een cel van vijftig micrometer in diameter). De cel stelde de wetenschappers in staat om de druk tot in het extreme op te voeren.

Tegelijkertijd koelden ze de waterstofsulfide af tot enkele graden boven het absolute nulpunt en keken hoe de stof reageert op een extern magnetisch veld. Een langzame verwarming van de stof liet zien dat het magnetische veld bij -70 graden Celsius plots verandert. Dat is een sterke aanwijzing voor het zogenoemde Meissner-effect: een supergeleidend materiaal laat geen magnetisch veld toe.

Het zogenoemde Meissner-effect waarbij een permanente magneet blijft zweven boven een supergeleidend materiaal. Dat kan doordat de supergeleider geen extern magnetisch veld toelaat en zelf een veld opwekt dat precies gespiegeld is aan dat van het magneetje.

 Mai-Linh Doan via CC BY-SA 3.0

Samen met het plotseling wegvallen van de elektrische weerstand, iets wat de wetenschappers in december aantoonden bij -83 graden Celsius, is nu de conclusie dat waterstofsulfide onder druk een echte supergeleider is.

Van isolerend gas tot vaste supergeleider

Maar hoe kan een (isolerend) gas een supergeleidende vaste stof worden? Dat heeft alles met de gigantische druk te maken waaraan het in de experimenten werd blootgesteld. Het waterstof wordt door de hoge druk samen met zwavel in een kristalrooster gedrukt en krijgt eigenschappen van een geleidende vaste stof.

Jan Zaanen is hoogleraar theoretische natuurkunde aan de Universiteit Leiden en is redelijk enthousiast over de ontdekking. “Het waterstof wordt in dit geval zo hard ‘gepest’ dat het eigenlijk een metaal lijkt. En in dit geval een supergeleidend metaal. Het is eigenlijk gewoon geluk dat het hier zo goed gaat. In dit materiaal wordt de supergeleidende theorie tot het uiterste gedreven.”

Vanaf het moment dat supergeleiding werd ontdekt in 1911 door de Nederlander Heike Kamerlingh Onnes, tasten wetenschappers in het duister over het mechanisme erachter. Tot de Amerikaanse wetenschappers John Bardeen, Leon Cooper en Robert Schreiffer in 1957 een succesvolle theorie opstellen. Deze naar hen vernoemde BCS-theorie beschrijft hoe elektronen paren kunnen vormen die zonder enkele weerstand door een materiaal kunnen bewegen.

Met de theorie wordt overigens niet verklaard hoe bepaalde keramische materialen supergeleidend worden. In 1986 werden koperverbindingen ontdekt die bij een relatief hoge temperatuur supergeleidend zijn. Het huidige record staat op -135 graden Celsius.

Heike Kamerlingh Onnes.

 Publiek domein

Opsteker

Er zijn wellicht verschillende wegen die naar nóg warmere supergeleiders leiden. Naast de keramische materialen (zie kader) zegt Zaanen dat het ‘hoge druk-veld’ een relatief klein vakgebied is. “Ik geloof dat er maar vier laboratoria op de hele wereld zijn die dat kunnen. Overigens hebben de wetenschappers een uitstekende reputatie hoor. Het is heel lastig om dit voor elkaar te krijgen. De drukken die ze gebruiken zitten echt tegen het limiet aan van wat mogelijk is.”

Volgens Zaanen zijn de nieuwe resultaten vooral een opsteker voor de theorie die voorspelde dat een stof als waterstofsulfide onder hoge druk supergeleidend zou worden. “Dat is leuk, maar ik ben niet erg optimistisch over de praktische inzetbaarheid van deze vinding, gezien de benodigde druk. Bovendien denk ik ook dat ze dit type supergeleidende-materiaal niet veel verder kunnen brengen dan deze temperatuur.”

Bron
ReactiesReageer