Natuurkundigen zijn al tijdenlang op zoek naar een materiaal dat onder gewone omstandigheden perfect elektriciteit geleidt. De weg naar deze ‘supergeleider op kamertemperatuur’ is echter bezaaid met gefaalde experimenten en wetenschappelijke controverses.
Meer dan honderd jaar geleden ontdekten wetenschappers dat sommige materialen perfect elektriciteit geleiden. Dat wil zeggen dat ze (vrijwel) geen weerstand hebben. Deze materialen werken tot nog toe alleen onder extreme omstandigheden: bij zeer lage temperaturen en onder extreem hoge druk. Als we een supergeleider zouden kunnen vinden die in plaats daarvan functioneert bij kamertemperatuur en bij een gewone druk, dan zou dat een enorme impact hebben. Je hebt in zo’n materiaal geen elektrische verliezen, wat de energiekosten van elektronica aanzienlijk zou verlagen.
Helaas is tot nog toe elke ‘ontdekking’ van supergeleiders op kamertemperatuur controversieel gebleken. Dat geldt ook voor het onderzoek dat recent veel in de media was, waarbij onderzoekers een mengsel van lood, zuurstof en fosfor testten.
‘Ik probeer robots te ontwikkelen die ook echt een nieuwe stap maken’
Hoe werkt vliegen? Dat lijkt een simpele vraag, maar voor luchtvaarttechnicus en bioloog David Lentink is het een levenslange zoektocht.
Geschiedenis van supergeleiding
De Leidse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes ontdekte supergeleiding in 1911, toen hij opmerkte dat een kwikdraad bij -269 graden Celsius zijn elektrische weerstand verloor. Binnen een paar jaar werd ook ontdekt dat lood en bepaalde legeringen van niobium en tin supergeleidend zijn bij extreem lage temperaturen. Kamerlingh Onnes won voor dit werk de Nobelprijs voor Natuurkunde.
In de jaren vijftig begonnen onderzoekers supergeleiders beter te begrijpen. De Amerikaanse natuurkundigen John Bardeen, Leon Cooper en John Robert Schrieffer vogelden uit wat er binnen in deze materialen gebeurt als ze extreem afkoelen. Hun zogeheten BCS-theorie (waarvan de naam verwijst naar de achternamen van de bedenkers) stelt dat elektronen in supergeleiders paartjes vormen, die elektriciteit vervoeren zonder weerstand te ondervinden.
Dit samengaan van elektronen gebeurt door trillingen in het rooster van atomen waaruit het materiaal is opgebouwd. Boven een bepaalde temperatuur (-233 graden Celsius) gaat dat mechanisme verloren.
Supergeleiding leek dus alleen mogelijk bij extreem lage temperaturen, in krachtige koelkasten vol prijzig vloeibaar helium. In 1987 leek hier verandering in te komen, toen onderzoekers een supergeleider met koper erin ontdekten die werkte bij -196 graden Celsius. Vervolgexperimenten krikten de supergeleidende temperaturen uiteindelijk op tot -140 graden Celsius. Maar een supergeleider bij kamertemperatuur, die bestaat nog niet.
Wat hebben we aan supergeleiders?
Momenteel worden supergeleiders gebruikt om ongelooflijk sterke magneten aan te drijven in deeltjesversnellers en MRI-scanners. Daarnaast komen ze voor in quantumcomputers, krachtige machines die uiteindelijk het rekenvermogen van de beste supercomputers zullen overtreffen.
Het aantal praktische toepassingen van de supergeleider zou explosief toenemen als ze geen koeling nodig hadden en eenvoudiger te produceren waren. Zo zouden supergeleiders het energietransport in het elektriciteitsnet efficiënter en milieuvriendelijker kunnen maken. Ook kunnen ze leiden tot nieuwe energieopslagapparaten, en ze kunnen helpen bij de ontwikkeling van compactere, commercieel interessante kernfusiereactoren.
Waarom is het zo moeilijk om een supergeleider op kamertemperatuur te maken?
De BCS-theorie (en zijn iets uitgebreidere opvolgers) geven geen recept om supergeleiders te maken onder verschillende omstandigheden. Onderzoekers hebben wel wat vooruitgang geboekt bij het identificeren van materiaaleigenschappen die te maken hebben met supergeleiding, en met het slim rangschikkingen van atomen, maar dan nog is het eigenlijk een kwestie van gokken: er zijn talloze mogelijke materiaalcombinaties die getest kunnen worden.
Een veelbelovend materiaal is grafeen. Dat is een laag koolstof van één atoom dik, die een hele reeks exotische eigenschappen vertoont, waaronder supergeleiding. Het is minder ingewikkeld te maken dan veel koperhoudende supergeleiders. In grafeen kun je supergeleiding gemakkelijk aansturen: je kunt het aan- en uitzetten door vellen grafeen op een bepaalde manier te draaien. Maar ook bij dit materiaal ligt de vereiste temperatuur voor supergeleiding nog steeds rond de -271 graden Celsius.
Teruggetrokken claims
In 2020 experimenteerden onderzoekers met een mengsel van koolstof, zwavel en waterstof, dat ze tussen twee diamanten pletten. Dat leek een nieuwe, veelbelovende optie. Als de diamanten een druk uitoefenden die gelijk was aan ongeveer 70 procent van de druk in de aardkern, liet het mengsel supergeleiding zien bij 14 graden Celsius. In maart van dit jaar testte hetzelfde team een materiaal van waterstof, stikstof en lutetium bij een druk die ongeveer 155 keer lager was. Opnieuw rapporteerden zij supergeleiding, deze keer zelfs bij 21 graden Celsius.
Beide experimenten zijn echter door andere onderzoekers onder de loep genomen en kregen flink wat kritiek te verduren. In 2020 trokken de onderzoekers hun artikel over het eerste onderzoek terug. Er waren twijfels ontstaan over de juistheid van de gepubliceerde meetgegevens. De onderzoekers blijven vooralsnog achter hun nieuwere bevinding staan, die van dit jaar, maar ook die staat op losse schroeven. Een week na de bekendmaking ervan meldde een onafhankelijk team dat ze het experiment hadden herhaald en geen supergeleiding hadden gevonden.
Eén element
Dit jaar rapporteerden twee onafhankelijke onderzoeksteams dat supergeleiders gemaakt van het zilverwitte metaal scandium onder extreme druk werken, zelfs bij ietwat hogere temperaturen. ‘Hoger’ is hier wel een relatief begrip: de temperaturen waarbij deze supergeleiding optrad, lagen tussen de -237 en -242 graden Celsius. Het werk was bijzonder omdat het de hoogste temperaturen betrof voor een supergeleider die gemaakt was van één enkel element, in plaats van een legering. Het is echter nog niet duidelijk in hoeverre dit een doorbraak is op de weg naar supergeleiding bij ‘gewone’ temperaturen.
Nieuwe kandidaat: LK-99
Deze maand betrad een nieuwe kandidaat het podium. Natuurkundige Hyun-Tak Kim, werkzaam aan het College of William & Mary in de Amerikaanse staat Virginia, testte met zijn team een materiaal dat LK-99 heet. De onderzoekers maakten het spul door poedervormige verbindingen van lood, zuurstof, zwavel en fosfor te mengen. Dat mengsel verhitten ze vervolgens enkele uren lang, waardoor de poeders reageerden en veranderden in een donkergrijze vaste stof.
In twee wetenschappelijke verslagen beschrijven Kim en zijn collega’s hoe dit materiaal zich gedraagt, bij een gewone omgevingsdruk. De onderzoekers maten de elektrische weerstand van een stukje LK-99 ter grootte van een millimeter. Ze ontdekten dat de weerstand scherp daalde bij bepaalde temperaturen. Bij 105 graden Celsius was de weerstand aanzienlijk, maar bij 30 graden werd hij bijna nul.
De onderzoekers testten ook hoe het materiaal zich gedroeg in een magneetveld. Van supergeleiders is bekend dat ze magneetvelden afstoten door een fenomeen dat het Meissner-effect heet. Daardoor zweeft een stukje supergeleidend materiaal als je het boven een magneet plaatst. In het temperatuurbereik waarin het materiaal bijna geen weerstand had, leek het zich ook in een magneetveld als een supergeleider te gedragen.
Volgens Kim en zijn collega’s laten de metingen zien dat LK-99 inderdaad supergeleidend is, zonder dat het gekoeld of onder druk gezet hoeft te worden.
Scepsis
Artikelen die in wetenschappelijke vakbladen verschijnen, zijn gewoonlijk beoordeeld door onafhankelijke experts. Dat geldt voor deze twee artikelen nog niet: ze staan op arXiv, een online archief voor vooruitgaven. De beweringen van de onderzoekers zijn door de onderzoekgemeenschap met scepsis ontvangen.
Materiaalwetenschapper Susannah Speller van de Universiteit van Oxford in het Verenigd Koninkrijk zegt dat wanneer een materiaal supergeleidend wordt, daar duidelijke aanwijzingen voor moeten zijn in een aantal metingen. Dat zijn onder meer de reactie op een magneetveld, en het vermogen van het materiaal om energie in de vorm van warmte op te slaan. Volgens haar is geen van beide aangetoond in de gedeelde meetgegevens. ‘Het is dus nog te vroeg om te zeggen dat we overtuigend bewijs hebben gekregen voor supergeleiding in deze monsters’, zegt ze.
Kim is zich bewust van de scepsis, maar vindt dat andere onderzoekers moeten proberen het werk van zijn team te repliceren. Hij belooft iedereen te ondersteunen die LK-99 zelf wil maken en testen.
Maar totdat het zover is, en andere onderzoeksgroepen dit experiment daadwerkelijk kunnen controleren en nabootsen, geldt dus dat de race naar echte kamertemperatuursupergeleiders nog lang niet gelopen is. De geschiedenis leert dat we niet te vroeg moeten juichen.
