Twee onafhankelijke teams van onderzoekers ontdekten dat het onder extreme druk zetten van het zilverachtige metaal scandium dat metaal in een supergeleider verandert. Dit gebeurt bij een temperatuur hoger dan voor enig ander zuiver element.
Het zilverachtige metaal scandium kan supergeleidend worden zonder dat het met andere stoffen gemengd is. En dit gebeurt bij hogere temperaturen dan bij enig ander element. Daarvoor zijn nog steeds extreme kou en druk nodig, maar de ontdekking zou kunnen helpen om andere, praktisch bruikbare materialen te ontwikkelen die stroom weerstandloos geleiden.
Extreem lage temperaturen
Supergeleiders zijn materialen die elektriciteit geleiden zonder de elektrische weerstand die leidt tot energieverspilling. Ze worden al meer dan een eeuw intensief bestudeerd, onder andere vanwege hun belofte om efficiënte elektronica mogelijk te maken. Voor vroege supergeleiders was de uitdaging dat ze alleen werkten bij extreem lage temperaturen. De kritische temperatuur, waaronder supergeleiding optreedt, was enkele tientallen graden Celsius boven het absolute nulpunt van -273 graden.
‘Einstein liep als theoreticus vast op de nieuwe bevindingen’
Toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes iets geks ontdekte over supergeleiding, was dit onder veel fysici het gesprek van de dag. Maa ...
Maar in de jaren tachtig ontdekten onderzoekers dat de supergeleidende eigenschappen van sommige materialen ook bestaan bij hogere temperaturen door de chemische samenstelling te veranderen, of door ze onder druk te zetten. Er is nog steeds geen definitieve consensus over hoe je een materiaal maakt dat supergeleidt bij kamertemperatuur. Maar alle beweringen hierover tot nog toe, waarvan er vele controversieel waren, gingen over extreme druk.
De eenvoudigste en schoonste supergeleiders
Nu hebben twee onderzoeksteams onafhankelijk van elkaar ontdekt dat bij hoge druk het element scandium van alle elementen bij de hoogste temperatuur supergeleidt.
‘Vaste stoffen gemaakt van één enkel element behoren tot de eenvoudigste en schoonste systemen om supergeleiding te bestuderen, maar tot nu toe leken ze allemaal een kritische temperatuur van minder dan -243 graden Celsius te hebben’, zegt natuurkundige Jianjun Ying van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China, die aan een van de experimenten werkte. Het andere onderzoeksteam stond onder leiding van natuurkundige Changqing Jin van de Chinese Academie van Wetenschappen. De onderzoeken worden beschreven in twee nog niet peer-gereviewde artikelen.
In beide experimenten drukten de onderzoekers een klein stukje scandium samen tussen twee diamanten om extreme druk uit te oefenen. Door het samendrukken van scandium verandert de rangschikking van de atomen. Bij extreme druk wordt het op precies de juiste manier vervormd, zodat sommige elektronen gemakkelijker kunnen deelnemen aan supergeleiding bij hogere temperaturen. In één experiment was de hoogste druk ongeveer 75 procent van de druk in het middelpunt van de aarde.
Hoge drukken
Beide teams herhaalden deze samenpers-procedure vele malen, bij licht verschillende temperaturen en drukken, en maten elke keer de elektrische weerstand van het scandium. Wanneer de weerstand van het materiaal tot nul daalde, wisten ze dat het supergeleidend was geworden.
Voor het team van Ying gebeurde dit bij een druk van 260 gigapascal en -237 graden Celsius, terwijl Jin en zijn collega’s de hoogste kritische temperatuur vonden bij -242 graden, bij een druk van 283 gigapascal. Rekening houdend met kleine verschillen in de apparatuur die het team gebruikte, zijn de twee metingen in wezen gelijkwaardig, zegt Jin.
‘Toen ik net begon als natuurkundige, zou [het bereiken van supergeleiding bij] deze temperaturen ondenkbaar zijn geweest voor een zuiver element’, zegt natuurkundige Merrill Brian Maple van de Universiteit van Californië in San Diego.
Maple zegt dat directe toepassingen voor supergeleidend scandium niet praktisch zijn door de hoge druk die nodig is. Maar hij voegt eraan toe dat inzicht in hoe vervorming van de structuur de kritische temperatuur verandert, kan helpen om in de toekomst nieuwe supergeleiders te ontwikkelen.
