Er zijn zojuist nieuwe supergeleidende materialen ontdekt

De originele versie van dit verhaal verscheen erin Hoeveel tijdschrifte.
In 2024 werd supergeleiding – de stroom van elektrische stroom zonder weerstand – ontdekt in drie verschillende materialen. Twee voorbeelden vergroten het begrip van het fenomeen uit het leerboek. De derde versnippert het volledig. “Het is een uiterst ongebruikelijke vorm van supergeleiding waarvan veel mensen zouden hebben gezegd dat deze niet mogelijk is,” zei hij Ashwin Vishwanatheen natuurkundige aan de Harvard University die niet betrokken was bij de ontdekkingen.
Sinds 1911, toen de Nederlandse wetenschapper Heike Kamerlingh Onnes voor het eerst de elektrische weerstand zag verdwijnen, heeft supergeleiding natuurkundigen geboeid. Er is het pure mysterie van hoe het gebeurt: het fenomeen vereist dat elektronen, die elektrische stroom transporteren, zich paren. Elektronen stoten elkaar af, dus hoe kunnen ze verenigd worden?
Dan is er nog de technologische belofte: supergeleiding heeft de ontwikkeling van MRI-machines en krachtige deeltjesversnellers al mogelijk gemaakt. Als natuurkundigen volledig zouden begrijpen hoe en wanneer het fenomeen ontstaat, zouden ze misschien een draad kunnen ontwerpen die elektriciteit supergeleidt onder alledaagse omstandigheden, in plaats van uitsluitend bij lage temperaturen, zoals momenteel het geval is. Wereldveranderende technologieën – verliesvrije elektriciteitsnetwerken, magnetisch zwevende voertuigen – zouden kunnen volgen.
De recente golf van ontdekkingen heeft zowel het mysterie van supergeleiding vergroot als het optimisme vergroot. “Het lijkt erop dat in materialen overal supergeleiding voorkomt”, zegt hij Matthew Yankowitzeen natuurkundige aan de Universiteit van Washington.
De ontdekkingen komen voort uit een recente revolutie in de materiaalkunde: alle drie de nieuwe gevallen van supergeleiding ontstaan in apparaten die zijn samengesteld uit platte lagen atomen. Deze materialen vertonen een ongekende flexibiliteit; met één druk op de knop kunnen natuurkundigen schakelen tussen geleidend, isolerend en meer exotisch gedrag – een moderne vorm van alchemie die de jacht op supergeleiding een boost heeft gegeven.
Het lijkt nu steeds waarschijnlijker dat diverse oorzaken aanleiding kunnen geven tot het fenomeen. Net zoals vogels, bijen en libellen allemaal met verschillende vleugelstructuren vliegen, lijken materialen op verschillende manieren elektronen aan elkaar te koppelen. Zelfs terwijl onderzoekers debatteren over wat er precies gebeurt in de verschillende tweedimensionale materialen in kwestie, verwachten ze dat de groeiende dierentuin van supergeleiders hen zal helpen een universeler beeld van dit verleidelijke fenomeen te krijgen.
Elektronen paren
Het geval van de waarnemingen van Kamerlingh Onnes (en de supergeleiding die wordt waargenomen in andere extreem koude metalen) werd uiteindelijk in 1957 opgelost. John Bardeen, Leon Cooper en John Robert Schrieffer bedacht dat bij lage temperaturen het zenuwachtige atoomrooster van een materiaal tot rust komt, waardoor delicatere effecten zichtbaar worden. Elektronen trekken zachtjes aan protonen in het rooster en trekken ze naar binnen, waardoor een overmaat aan positieve lading ontstaat. Die vervorming, bekend als een fonon, kan vervolgens een tweede elektron aantrekken en een ‘Cooper-paar’ vormen. Cooper-paren kunnen allemaal samenkomen in een samenhangende kwantumentiteit op een manier die alleen bij verkiezingen niet mogelijk is. De resulterende kwantumsoep glijdt wrijvingsloos tussen de atomen van het materiaal, die normaal gesproken de elektrische stroom belemmeren.
De theorie van Bardeen, Cooper en Schrieffer over op fononen gebaseerde supergeleiding leverde hen in 1972 de Nobelprijs voor natuurkunde op. Maar het bleek niet het hele verhaal te zijn. In de jaren tachtig ontdekten natuurkundigen dat met koper gevulde kristallen, cuprates genaamd, supergeleidend konden zijn bij hogere temperaturen, waarbij atomaire bewegingen de fononen wegspoelen. Andere soortgelijke voorbeelden volgden.