Gas wordt superfluïdum

Share Button

MIT-onderzoekers zijn er in geslaagd om gas te veranderen in een superfluïdum bij een temperatuur van miljardsten van een Kelvin (dus miljardsten graad Celsius boven het absolute nulpunt). Naar hieruit blijkt, is in principe supergeleiding tot ver boven kamertemperatuur mogelijk.

Wat is een supervloeistof?
Toen de Leidse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes begin twintigste eeuw experimenten deed met het laatst bekende gas dat nog niet in een vloeistof was veranderd, helium, stuitte hij op enkele bizarre verschijnselen die nog nooit eerder bij een natuurkundig experiment waren aangetroffen. Helium, zo bleek, veranderde bij temperaturen onder de vier graden boven het absolute nulpunt (4 Kelvin, dus) in een vloeistof.

Als dit wordt afgekoeld tot onder de 2,174 Kelvin, verandert helium-I, de normale variant, in helium-II. Een supervloeistof. Niet zomaar een vloeistof, maar een uiterst bizar goedje dat in staat is door gaatjes zo groot als enkele atomen te sijpelen (ondenkbaar voor een normale vloeistof wegens de stromingsweerstand) en tegen de wanden van een bekerglas opkruipt. Ook ontstaat er een fontein als het spookachtige goedje wordt beschenen met bijvoorbeeld licht. Dit komt door de bijna oneindig goede warmtegeleiding. Ook is de viscositeit, de stroperigheid, nul. Vaart een schip op een oceaan van supervloeistof, dan zou het schip geen brandstof nodig hebben om de oceaan over te steken (gesteld uiteraard dat het schip snelheid heeft bij vertrek). 

De reden voor al deze bizarre verschijnselen is kwantummechanica. Kwantummechanica kent de onzekerheidsrelatie van Heisenberg. Hoe zekerder de energie van een deeltje (zoals een atoom), hoe onzekerder de plaats: de waarschijnlijkheidsgolf (De Broglie materiegolf) van het atoom wordt steeds breder. Als je atomen afkoelt tot vlak bij het absolute nulpunt, gaan ze elkaar daarom overlappen. Ze verliezen hun identiteit en veranderen als het ware één deeltje: een Bose-Einstein condensaat.

Zodra zich een Bose-Einstein condensaat vormt: gedragen alle atomen zich als één deeltje met dezelfde snelheid: de pieken rechts. bron: Wikipedia

Zodra zich een Bose-Einstein condensaat vormt: gedragen alle atomen zich als één deeltje met dezelfde snelheid: de pieken rechts. bron: Wikipedia

Gas verandert in superfluïdum
Het is ook mogelijk (maar zeer lastig) om sommige andere stoffen in superfluïdums te veranderen. Een fluïdum is de natuurkundige verzamelterm voor alles wat kan stromen, zoals gas, vloeistof en plasma’s. Een superfluïdum is een fluïdum dat de al eerder genoemde eigenschappen zoals wrijvingsloos stromen vertoont en een Bose-Einstein condensaat is. Het recept: de stoffen in kwestie moeten tot honderdmiljardste van een Kelvin afgekoeld worden. Dit kan met magneetkoeling: onderzoekers laten alle snel bewegende moleculen ontsnappen, waardoor alleen de allertraagste (dus allerkoudste), die niet aan het magneetveld kunnen ontsnappen, overblijven.

Het team van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) kreeg dit voor elkaar met lithiumdamp, bestaande uit deeltjes met een oneven aantal elektronen en kerndeeltjes.

Bosonen en fermionen
Bij de overgang van een gas naar een superfluïdum vormen deze lithiumatomen paren. Fermionen, deeltjes met een niet-gehele spin (wat het geval is voor deze lithiumisotoop met een oneven aantal elektronen) kunnen namelijk niet in één ruimte bivakkeren. Dat kan wel met bosonen (deeltjes met een gehele spin). Twee fermionen kunnen een paar vormen, waarna dit paar zich gedraagt als een boson en een superfluïdum kan vormen.

En inderdaad, helium-4 atomen bestaan uit twee elektronen, twee protonen en twee neutronen,een even aantal dus en zijn hiermee bosonen. Helium-3 (met maar één neutron) is door het oneven aantal kerndeeltjes een fermion en kan alleen een supervloeistof vormen bij veel lagere temperatuur (honderdste Kelvin), omdat alleen bij deze extreem lage temperatuur de bosonische paren, die uiteraard veel zwaarder zijn dan losse deeltjes, de andere bosonische paren gaan overlappen.

Supergeleiding bij kamertemperatuur
Elektronen hebben een spin van 1/2 en zijn dus ook fermionen. Om elektronen supergeleidend te maken, zodat ze weerstandsloos stromen, moeten ze ook (Cooper-)paren vormen. Elektronen zijn veel lichter dan atomen, daardoor is hun waarschijnlijkheidsgolf veel verspreider en hoeven ze niet zo langzaam te bewegen als atomen en moleculen om toch een superfluïdum te kunnen vormen. De reden dat het record van supergeleiding bijna tweehonderd Kelvin is, al aardig in de buurt van het vriespunt van water (273,15 K).

Uit dit experiment blijkt dat in theorie bij temperaturen ver boven het vriespunt nog supergeleiding mogelijk is. Dit zou werkelijk fantastische mogelijkheden opleveren. Denk aan maglevtreinen die alleen de luchtweerstand hoeven te overwinnen, magneet-ijshockey waarbij de spelers boven de baan zweven en dergelijke. Ook zou dit een enorme energiebesparing opleveren, want er gaat geen warmte meer verloren in bijvoorbeeld elektromotoren.

Bronnen
Martin W Zwierlein et al., Revealing the Superfluid Lambda Transition in the Universal Thermodynamics of a Unitary Fermi Gas, Science (2012)

Share Button

Germen

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: biologische productiesystemen (master), natuurkunde (gedeeltelijek bachelor), informatica

Dit vind je misschien ook interessant:

2 reacties

  1. Bart schreef:

    Erg interessant. Het werd natuurlijk al veel langer verwacht dat dit mogelijk was maar goed om te zien dat het nu ook bewezen mogelijk is. Nu nog de technieken zo aanpassen dat supergeleiding bij kamertemperatuur mogelijk wordt. Het zou het energieprobleem in een klap op kunnen lossen.

  2. Picobyte schreef:

    Die verliezen in elektromotoren en generators worden voor lief genomen zolang de constructie en onderhouds kosten lager uitvallen dan het energie verbruik.
    Zelfs de waaier die zo’n motor koelt is daardoor in veel voorkomende gevallen verre van efficiënt.
    De theorie is leuk maar het zal dus echt tot een goedkoop alternatief moeten leiden voor de veel gebruikte SKA motor die op een setje lagers na zonder bewegende delen werkt.

Geef een reactie

Advertisment ad adsense adlogger