WETENSCHAPSUPERGELEIDING

Fysici claimen mijlpaal: supergeleiding bij kamertemperatuur. Begin van een energierevolutie?

Beeld Studio V

Decennialang dromen natuurkundigen al van supergeleiding bij kamertemperatuur. Dat zou de deur openen naar een energie- en technologierevolutie (nooit meer batterijen!). En nu beweert een groep onderzoekers dat ze beet hebben.

George van Hal13 november 2020, 13:00

Toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes in 1911 kwik extreem afkoelde in zijn laboratorium in Leiden, gebeurde er iets dat eruit moet hebben gezien als magie. Plotsklaps verdween alle elektrische weerstand in het materiaal – alsof je een sluis openzet en het water ineens op volle vaart langs de kades kolkt. ‘Kwik nagenoeg nul’ schreef hij op 8 april in een opschrijfboekje dat tegenwoordig eigendom is van het Leidse wetenschapsmuseum Boerhaave. De zeer koude temperatuur waarbij het opmerkelijke verschijnsel – vakterm: supergeleiding – zich voordeed: zo’n min 269 graden Celsius.

Pas 45 jaar later volgde de wetenschappelijke verklaring voor het verschijnsel. Fysici John Bardeen, Leon Cooper en John Schrieffer beschreven in 1957 onder meer hoe elektronen in supergeleidende materialen aan elkaar klitten tot zogeheten Cooper-paren die samen de elektrische weerstand overwinnen. Dat is een van de hoekstenen van de zogeheten BCS-theorie, waarvoor ze nog eens vijftien jaar later de Nobelprijs voor de natuurkunde kregen toegekend.

Nu, ruim honderd jaar na de doorbraak van Kamerlingh Onnes, is supergeleiding niet meer weg te denken uit de wereld van fysica én technologie. Het ongeremde stromen van elektriciteit maakt daarbij bijzondere dingen mogelijk. Het bouwen van extreem krachtige magneten, bijvoorbeeld, waaronder de exemplaren die geladen deeltjes in geavanceerde deeltjesversnellers in hun banen houden. Of de magneten die krachtige kernfusiereactoren mogelijk maken, die weer andere deeltjes naar voorbeeld van onze zon op elkaar persen zodat ze – ooit, hopelijk, in de toekomst – dienst kunnen doen als schier eindeloze bron van energie. Supergeleiding duikt bovendien al op in de wereld van alledag, onder meer in de magneten in het binnenste van de MRI-scanners in ziekenhuizen.

En toch dromen sommigen van meer, véél meer. Van wereldwijde elektriciteitsnetwerken zonder weerstand, bijvoorbeeld, waarin stroom honderd procent efficiënt rondpompt zonder energieverlies in de vorm van warmte. Van extreem krachtige elektromotoren en geavanceerde zweeftreinen. Van computers die rekenen zonder ooit nog te oververhitten. Van niets minder, kortom, dan een sciencefictionachtige energie- en technologierevolutie.

Het enige dat je daarvoor nodig hebt, zo luidt de hoop: supergeleiding die niet alleen bij zeer lage temperaturen werkt, maar ook in de wereld van alledag. Gewoon, op een aangename 20 graden. Op kamertemperatuur.

Onbereikbaar fata morgana

Decennialang bleek die droom niets meer dan een onbereikbaar natuurkundig fata morgana. Iets om ’s avonds na het werk over te fantaseren, om met een twinkeling in de ogen over te mijmeren op vakconferenties. Iets waarvan, na al die jaren, de échte hoop dat het ooit nog zou lukken bij de meesten stiekem al wat begon te slijten.

Totdat een groep fysici half oktober een artikel in vakblad Nature publiceerde met een titel die vakgenoten over de hele wereld met de ogen deed knipperen en hun hart een paar slagen liet overslaan: ‘Kamertemperatuur supergeleiding in koolstofrijk zwavelhybride.’ Het stond er echt.

In dat artikel beschrijven onderzoekers hoe ze de truc uit het lab van Kamerlingh Onnes herhaalden bij een graadje of 15. Niet helemáál een aangename kamertemperatuur – bij 15 graden trekken de meesten van ons een jas of dikke trui aan – maar natuurkundig ontegenzeggelijk een prestatie van formaat.

‘Een inspirerend resultaat’, zegt fysicus Carlo Beenakker (Universiteit Leiden), die het artikel looft als een intrigerend staaltje natuurkunde. Of zoals chemicus Eva Zurek (State University of New York) het zei tegen Nature: ‘Ik weet zeker dat na publicatie van dit artikel veel theoretische en experimentele onderzoeksgroepen hier bovenop zullen springen.’

De onderzoekers zelf toonden zich in een persverklaring bovendien uitgesproken optimistisch over de belofte van hun resultaat. ‘Door de temperatuurslimieten hebben supergeleidende materialen de wereld nog niet veranderd op de manier waarop velen hoopten. Maar onze ontdekking zal die barrières openbreken en tot veel potentiële toepassingen leiden’, zei co-auteur Ranga Dias (University of Rochester) bijvoorbeeld.

Ashkan Salamat (University of Nevada), die eveneens meeschreef aan het vakartikel, durfde zelfs al hardop van die toepassingen te dromen. ‘Met dit soort technologie kun je een supergeleidende samenleving maken waarin je nooit meer dingen als batterijen nodig zult hebben’, hoopt hij. Wie stroom vrijwel zonder verlies kan laten rondlopen, zo lijkt zijn gedachte, kan de batterijen in alles van smartphones tot auto’s definitief vervangen door supergeleidende circuits.

Te hoog van de toren

Toch is het nog maar de vraag of de vondst de energierevolutie zal ontketenen waarop de onderzoekers zinspelen, menen andere experts. Volgens Beenakker, bijvoorbeeld, blazen de onderzoekers niet alleen in hun persverklaring, maar zelfs in de kop van hun vakartikel iets te hoog van de toren.

‘Bij supergeleiding op kamertemperatuur denk je toch automatisch aan supergeleiding onder omstandigheden die je in een huiskamer kunt tegenkomen’, zegt hij. ‘Daarvan is hier absoluut geen sprake. Het is een beetje flauw om daar wel naar te wijzen in de titel, dat is een poging om het verhaal mooier te maken dan het eigenlijk is.’

De onderzoekers hebben namelijk het ene probleem – de extreem lage temperatuur – ingewisseld voor een nog veel taaiere kwestie. Om hun materiaal, een verbinding gemaakt van koolstof, waterstof en zwavel, supergeleidend te maken, persten ze het samen tussen twee diamanten met een kracht die je normaliter alleen in het diepste binnenste van de aarde treft. Of, in getallen: zo’n 267 gigapascal, 2,6 miljoen maal de luchtdruk op zeeniveau.

‘Begrijp me niet verkeerd: dit is prachtig onderzoek’, zegt Beenakker, ‘maar als je toe wilt naar supergeleiding die je gemakkelijk kunt bereiken, is dit juist een stap de verkeerde kant op.’

Beeld Studio V

Revolutie in koeling

Waar Kamerlingh Onnes honderd jaar geleden zijn laboratorium wist om te toveren tot ‘het koudste plekje in het universum’ en daarmee wereldfaam verwierf, is heel koude temperaturen bereiken tegenwoordig eigenlijk een eitje. Voor traditionele supergeleiding is na wat doorbraken een graad of -140 genoeg. En die temperatuur halen is zo lastig niet meer.

‘Dat is echt een revolutie die we de laatste paar decennia hebben doorgemaakt. Ieder lab met een beetje budget kan zulke temperaturen bereiken. Voor een ton koop je een koelkast die dat aankan en die je gewoon in het stopcontact kunt stoppen’, zegt Beenakker. ‘Elk groot natuurkundelab kan dat.’

De druk bereiken die de onderzoekers nodig hadden om supergeleiding bij 15 graden te bewerkstelligen, is een heel ander verhaal, benadrukt hij. ‘In heel Nederland is er misschien één laboratorium waarin dat mogelijk is.’ Bovendien is het volume dat je supergeleidend kunt maken in dat geval veel kleiner. In het Nature-artikel ging het om grofweg een picoliter, of: 0,000000000001 liter. Terwijl je in een beetje labkoelkast een volume ter grootte van een voetbal kunt koelen tot -140 graden. ‘Dit is dus echt een stap verder verwijderd van ‘normale’ omstandigheden’, zegt Beenakker.

Raadsel

De vraag is alleen: is dat erg? Beenakker vindt al die toekomstdromen over supergeleidende wondertechnologieën niet zo interessant, zegt hij. Zéker niet op de korte termijn. ‘Niemand werkt aan die wondertechnologieën, terwijl dat op basis van de huidige supergeleiding best mogelijk moet zijn’, zegt hij.

‘Ik denk niet dat dit valt of staat met de benodigde temperatuur. Heel andere kwesties bepalen of supergeleidende technologieën ooit grootschalig worden toegepast.’ Neem alleen al de overweldigende kosten en moeite van het vervangen van het totale elektriciteitsnet door een supergeleidende variant. ‘Het zijn eerder dat soort zaken die de toepassing van deze technologie remmen dan de mogelijkheden voor goede koeling’, meent Beenakker.

Als theoretisch fysicus vindt hij het bovendien interessanter wat supergeleiding nu precies zegt over de manier waarop de werkelijkheid in elkaar steekt. Vanuit dat oogpunt is het nieuwe resultaat wél heel interessant, benadrukt hij. Als men onder hoge druk supergeleiding heeft gezien, is dat immers op een totaal nieuwe manier tot stand gekomen. De vraag is dan waarom, en hóé, die druk supergeleiding mogelijk maakt. Net als in 1911 staan fysici daarbij voor een raadsel – een dat de gangbare theorieën over koude supergeleiding niet kunnen verklaren.

Tegelijk gelooft niet iedereen dat de onderzoekers inderdáád supergeleiding hebben gemeten. In een nog niet in een vakblad gepubliceerd artikel schrijven Jorge Hirsch (University of California) en Frank Marsiglio (University of Alberta) bijvoorbeeld dat de metingen niet op supergeleiding kúnnen duiden, simpelweg omdat het materiaal zich anders gedraagt dan je van een supergeleidend materiaal zou verwachten. ‘Onze conclusie is dat het onmogelijk is dat dit een overgang naar een supergeleidende toestand laat zien’, schrijven ze onder meer. En even later: ‘Deze resultaten hebben waarschijnlijk een gemeenschappelijke oorsprong die nog om opheldering vraagt. Maar het is geen supergeleiding.’

Ongebaande weg

De vraag is opnieuw of dat erg is. Hoewel de gedroomde technologierevolutie, ondanks het optimisme van de auteurs van het Nature-artikel, nog wel even op zich zal laten wachten, staat het buiten kijf dat in de experimenten iets bijzonders aan de hand is. Supergeleiding of geen supergeleiding.

‘Dit is echt nog een ongebaand pad’, zegt Beenakker. ‘Dat is altijd mooi.’ Waarnaar dat pad zal leiden, weet niemand. Maar als de experimenten van Kamerlingh Onnes, ruim honderd jaar geleden, ons iets hebben geleerd, is het wel dit: de ontdekkingen die het begrip van de werkelijkheid fundamenteel opschudden, volgen vaak op plotselinge, bijna magische metingen. Het opmerkelijke gedrag dat deze fysici onder hoge druk zagen ontstaan, zou daarvan zomaar eens het volgende voorbeeld kunnen zijn.