natguurkunde

Voor het eerst in de geschiedenis is het onderzoekers gelukt om supergeleiding te bereiken bij kamertemperatuur, zij het voor slechts een minieme fractie van een seconde. Wanneer komt er praktische supergeleiding?

Wat is supergeleiding?
Supergeleiding werd rond de honderd jaar geleden ontdekt door de Leidse hoogleraar Kamerlingh Onnes. Hij was bezig om gassen steeds verder te koelen (de man slaagde er ook als eerste in om helium vloeibaar te krijgen). Plotseling viel alle weerstand weg en bleef de stroom oneindig lang doorcirkelen.

Supergeleiders beloven dingen als energieopslag, energiebesparing, magnetische zweefbanen, zeer krachtige magneten en daarmee: zeer sterke elektromotoren. In de meeste supergeleidende materialen ligt de kritische temperatuur op slechts enkele kelvin (de SI-temperatuureenheid kelvin staat gelijk aan de graad Celsius, alleen met 0 K = -273,15 C: het absolute nulpunt). Deze temperatuur bereiken, kan alleen met zeer logge en kostbare koelsystemen met vloeibaar helium. Eind vorige eeuw werd het keramische materiaal YBCO ontdekt, dat een veel hoger kritisch punt kent: 73 kelvin, boven het kookpunt van stikstof en dus veel makkelijker te bereiken. YBCO en vergelijkbare materialen kennen een bijzondere gelaagde structuur, waardoor zogeheten Cooperparen, paren gebonden elektronen die supergeleiding veroorzaken, minder snel uit elkaar worden gerukt.

Miljoensten van seconden supergeleiding bij kamertemperatuur
In 2013 ontdekte een internationaal team onder leiding van Max Planck onderzoeker Andrea Cavalleri, dat wanneer YBCO wordt bestraald met infrarode laserpulsen, het materiaal gedurende zeer korte tijd supergeleidend wordt op kamertemperatuur. Pas nu is het mechanisme achter deze ontdekkign opogehelderd met behulp van de krachtige Amerikaanse röntgenlaser LCLS. Eerst werden bepaalde atomen binnen YBCO in een hogere energietoestand gebracht door de infraroodpuls. Vervolgens mat een röntgenpuls hoe de precieze kristalstructuur van YBCO was veranderd door de infraroodpuls.

Het resultaat: niet alleen had de infraroodpuls de atomen aangeslagen, maar had ook hun positie in het kristal verschoven. Dit maakte de dubbele koperdioxidelaag dikker (met 2 picometer, een honderdste diameter van een koperatoom); de laag tussen de koperdioxidelagen werd juist dunner met dezelfde afstand.
Kwantumtunneling is extreem gevoelig voor afstandsveranderingen. Zelfs deze kleine dikteverandering van een half procent bleek genoeg om de kwantumkoppeling tussen de koperdioxidelagen zo te versterken, dat het materiaal bij kamertemperatuur supergeleidend werd voor enkele picoseconden.

Het Meissnereffect

De gevolgen
Door deze ontdekking is er een belangrijk stuk van de puzzel die supergeleiding is, ontraadseld. Supergeleiding bij kamertemperatuur komt zo een stuk dichterbij.

Bron
1. A. Cavalleri et al, Nonlinear lattice dynamics as a basis for enhanced superconductivity in YBa2Cu3O6.5, Nature, 4 December 2014; doi:10.1038/nature13875
2. Superconductivity room temperature, persmed. Max Planck Institut, 2014