Supergeleiding

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Als gevolg van het Meissner-effect kan een magneet zweven boven een supergeleider.

Supergeleiding (vroeger ook wel suprageleiding genoemd) is het verschijnsel dat de elektrische weerstand van sommige materialen beneden een bepaalde (meestal zeer lage) temperatuur opeens helemaal verdwijnt. Het verschijnsel is op 8 april 1911 in Leiden ontdekt door Heike Kamerlingh Onnes[1][2][3] bij zijn baanbrekende werk op het gebied van de extreem lage temperaturen. In de jaren tachtig en negentig van de twintigste eeuw vond men ook supergeleiding bij veel hogere temperaturen in keramische materialen.

Supergeleiding wil zeggen dat als er stroom op gang gebracht wordt in een gesloten kring die bestaat uit een supergeleidend materiaal, deze stroom ook zonder aangelegde elektrische spanning zal blijven rondlopen. Doordat een kringstroom een magnetisch veld opwekt kan men op deze manier een permanent magnetisch veld opwekken. Supergeleidende magneten vinden daarom veel toepassing, maar een groot nadeel is dat supergeleiding in de meeste materialen slechts bij bijzonder lage temperaturen optreedt, enkele graden boven het absolute nulpunt. Supergeleidende magneten moeten dus met grote en kostbare installaties worden gekoeld, meestal met vloeibaar helium.

Geschiedenis[bewerken]

Tijdlijn van supergeleiding
1911 Heike Kamerlingh Onnes en Gilles Holst ontdekken dat de weerstand van kwik plotseling verdwijnt bij 4,2 kelvin.
1933 Walther Meissner en Robert Ochsenfeld ontdekken dat binnenin supergeleidende metalen geen magnetische velden kunnen voorkomen.
1935 Fritz en Heinz London tonen aan dat het Meissner-effect een gevolg is van de beperking van de elektromagnetische vrije energie veroorzaakt door de supergeleidende stroom.
1952 Aleksej Abrikosov maakt onderscheid tussen Type-I en Type-II supergeleiders.
1957 John Bardeen, Leon Cooper en Robert Schrieffer formuleerden de BCS-theorie, een uitleg waarin de elektronen in een supergeleider paren vormen.
1962 De eerste commerciële supergeleidende draad, een niobium-titanium (NbTi) legering, wordt door Westinghouse vervaardigd.
1962 Brian Josephson voorspelt het Josephson-effect, waarbij supergeleidende elektronenparen door een isolatiebarrière kunnen tunnelen.
1986 Alex Müller en Georg Bednorz ontdekken het fenomeen van hogetemperatuursupergeleiding.
1987 Paul C.W. Chu maakt een legering die bij 93 K supergeleidend wordt.

Nadat Heike Kamerlingh Onnes in 1908 erin was geslaagd om helium vloeibaar te maken begon hij met een reeks experimenten om definitief een antwoord te verkrijgen over de elektrische weerstand van metalen rond het absolute nulpunt. Uit proeven was bekend dat de weerstand afneemt naarmate de temperatuur daalt, maar de natuurkundigen verschilden van mening over wat met de weerstand zou gebeuren bij het absolute nulpunt.

Volgens de regel van Matthiessen, afkomstig van de Britse scheikundige Augustus Matthiessen, bestaat de weerstand van een metaal uit een optelling van twee weerstanden, een temperatuur afhankelijke elektronenweerstand en een temperatuur onafhankelijke restweerstand die wordt veroorzaakt door onzuiverheden in het metaal. Volgens hem zou bij een dalende temperatuur de weerstand lineair afnemen om geleidelijk af te buigen naar een constante waarde, de restweerstand.

De bekende Britse natuurkundige Lord Kelvin had een geheel andere theorie. Hij meende dat bij zeer lage temperaturen de elektronen hun beweeglijkheid in het metaal zouden verliezen en op de metaalionen zouden "vastvriezen". Het metaal zou een isolator worden met een oneindige hoge weerstand.

Tenslotte was daar de elektronentheorie van de Nederlandse natuurkundige Hendrik Lorentz. Hij stelde dat de weerstand van een metaal wordt veroorzaakt doordat de geleidingselektronen werden verstrooid door het trillen van het ionenrooster. Bij het absolute nulpunt zal het trillen afnemen, de vrije weglengte van de elektronen toenemen en de weerstand geleidelijk naar nul dalen.

Onnes-experiment[bewerken]

Oorspronkelijke meting van Kamerlingh Onnes van de weerstand van een kwikdraaadje als functie van de temperatuur (26 oktober 1911)

Samen met Gilles Holst nam Kamerling Onnes een platinadraad en keek toe hoe de weerstand van graad tot graad daalde. Overeenkomstig de voorspellingen nam de weerstand af met de temperatuur; maar eenmaal bij enkele graden boven het absolute nulpunt gekomen namen ze waar dat de weerstand constant bleef. Eenzelfde proef met een gouddraad gaf hetzelfde resultaat. Beide experimenten gaven de theorie van Matthiessen gelijk en dat de gemeten restweerstand werd veroorzaakt door onzuiverheden in het metaal.

Om hierover uitsluitsel te geven stapte Kamerlingh Onnes over op kwik, een metaal dat door herhaald destilleren zeer zuiver te krijgen is. Op 8 april 1911 startte Kamerlingh Onnes samen met Gilles Holst het experiment. Bij een temperatuur van 4,2 K (-268 °C) nam hij waar dat de weerstand van het kwik plotseling wegviel – ofwel de weerstand van kwik was nul geworden.[4] De wetenschapper dacht eerst dat zijn meetapparatuur defect was geraakt, maar daarmee bleek niets mis te zijn en ook een kortsluiting werd niet gevonden. "Kwik nagenoeg nul" schreef Onnes op in zijn notitieschrift. Bij het verhogen van de temperatuur zag Holst dat de weerstand weer terugkwam. Later herhaalde hij het experiment met lood en tin en nam waar dat deze supergeleidend werden bij respectievelijk 7,2 en 3,8 K.

De eerste resultaten over het verdwijnen van de elektrische weerstand publiceerde Kamerlingh Onnes op 28 april 1911 in de Verslagen van de Koninklijke Akademie van Wetenschappen.[5] Pas op de Solvayconferentie van november 1911 gaf hij een uitgebreidere uiteenzetting van de gevonden resultaten, waarin hij ook voor het eerst de term 'suprageleider' introduceerde.

Definitief bewijs[bewerken]

Om te bepalen of de weerstand van een supergeleider werkelijk nul is of alleen uiterst klein liet Onnes een loden ring vervaardigen die hij in een bad vloeibaar helium dompelde. Vervolgens liet hij een elektrische stroom door de supergeleidende ring lopen die hij met een kleine magneetnaald mat (een stroom veroorzaakt een magnetisch veld). Gedurende de twee dagen bleef de naald in dezelfde positie, daarmee aantonend dat de elektrische stroom niet was afgenomen. Later werd Onnes experiment herhaald door een Amerikaanse onderzoeksteam die een elektrische stroom gedurende twee jaar heeft laten rondlopen in een supergeleider zonder dat de kleinste variatie in de weerstand werd waargenomen.

Vervolgens wilde Onnes een supergeleidende magneet maken die enkele duizenden Tesla's sterk was. Dit plan moest hij al snel opgeven omdat al snel duidelijk werd dat supergeleiding verdween wanneer de sterkte van het magneetveld een zekere drempelwaarde overschreed; in de orde van een paar Tesla.

Theorieën voor supergeleiding[bewerken]

Sinds de ontdekking door Kamerlingh Onnes zijn er veel pogingen tot verklaring gedaan. De volgende belangrijke stap deed zich voor in 1933 toen Walther Meissner samen met zijn assistent Robert Ochsenfeld ontdekte dat een supergeleider een extern aangebracht magnetisch veld uitstoot, een fenomeen dat nu bekend staat als het Meissner-effect.[6] De gebroeders Fritz en Heinz London lieten zien dat het Meissner-effect een gevolg was van de beperking van elektromagnetische vrije energie gedragen door de supergeleidende stroom.[7] Tijdens hun onderzoek naar het effect vonden de gebroeders London dat de elektrische stroom zich bevindt in een zeer dunne buitenste laag van de supergeleider. Deze oppervlaktestromen zijn zodanig georganiseerd dat het inwendige van de supergeleider afgeschermd wordt voor het uitwendige magnetisch veld. Deze penetratiediepte (λ) is een specifieke eigenschap van supergeleiders en is ongeveer honderd nanometer dik.

Ginzburg-Landau theorie[bewerken]

In de jaren vijftig vonden theoretisch natuurkundigen een bevredigende verklaring van de "klassieke" supergeleiding met de beschrijvende ("fenomenologische") Ginzburg-Landau theorie (1950) van de Russische natuurkundigen Vitali Ginzburg en Lev Landau.[8] Met deze theorie konden macroscopische eigenschappen van supergeleiders beschreven worden. Een andere Russische wetenschapper, Aleksej Abrikosov, liet zien dat de Ginzburg-Landau theorie voorstelt dat er twee soorten supergeleiders (Type-I en Type-II) bestaan, elk met een verschillend gedrag in tegenwoordigheid van een magnetisch veld. Voor hun werk kregen Ginzburg en Abrikosov in 2003 de Nobelprijs.

  • Een Type-I supergeleider (in het algemeen zuiver metalen, uitgezonderd Niobium) duwt het aangelegde magnetisch veld naar buiten. Dit gaat op voor elk veld dat kleiner is dat de kritisch veldsterkte Hc. Daarboven dringt de magnetische flux de supergeleider volledig binnen en verdwijnt abrupt de supergeleidende toestand.
  • Een Type-II supergeleider (in het algemeen legeringen) duwt het aangelegde magnetische veld naar buiten tot dit een eerste kritische waarde (Hc1) van het veld bereikt; vervolgens laat het veld zich geleidelijk aan doordringen in de vorm van gekwantiseerde eenheden (vortices) van de magnetische flux. Dit wordt de 'gemengde toestand' genoemd want de weerstand is nog steeds nul ondanks het gedeeltelijke doordringen van het magnetisch veld. Wanneer het veld eenmaal een tweede kritische waarde (Hc2) heeft bereikt, is de doordringing volledig en verdwijnt de supergeleidende toestand.

Type-II supergeleiders vinden vooral toepassing bij de constructie van elektromagneten waarmee zeer sterke velden kunnen worden opgewekt.

De definitieve doorbraak kwam, 46 jaar na de ontdekking, met de BCS-theorie (1957) van de Amerikanen Bardeen, Cooper en Schrieffer.[9][10] Dit trio kreeg in 1972 de Nobelprijs voor hun theorie.

Verklaring volgens BCS-theorie[bewerken]

Supergeleiders zijn geleiders die geen weerstand hebben voor elektronenstromen. Dit komt door de vorming van Cooperparen, een kwantumeffect dat intuïtief als volgt beschreven kan worden:
Beschouw twee vrije elektronen in een rooster met positieve ionen:

       +  +  +  +  + +
                    -
       +  +  +  +  + +

       +  + +   +  +  +
           -
       +  + +   +  +  +

In zijn geheel gezien is het volledige rooster neutraal geladen. De twee elektronen hebben een negatieve lading en verzamelen daardoor positieve ionen rond zich. Dit heeft als gevolg dat op een redelijke afstand een elektron als lichtjes positief beschouwd wordt door het andere elektron. Andersom is dit ook waar. De elektronen worden dus lichtjes tot elkaar aangetrokken. Dit gebeurt alleen als de trillingen van de ionen niet te groot zijn. Als deze te groot zouden zijn, worden de positieve ladingen van de ionen over een groter gebied verspreid en worden de Cooperparen niet gevormd. Dit is de oorzaak waardoor supergeleiding voorlopig alleen maar kan optreden bij relatief lage temperaturen. De temperatuur waarbeneden supergeleiding optreedt, noemt men de kritische temperatuur; deze is sterk afhankelijk van de stroomdichtheid en het omliggende magnetische veld. Bij te grote magnetische velden verliezen veel materialen hun supergeleidende eigenschap.

Als elektronen zich in een Cooperpaar schikken is hun gezamenlijk energieniveau kleiner dan wanneer ze apart voorkomen. Dit wil zeggen dat, indien mogelijk, elektronen zich altijd in Cooperparen gaan schikken. Als de elektronen zich in paren schikken, wil dit zeggen dat ze ook zo gaan bewegen. Doordat de ionen weinig trillen is bovendien de kans op verstrooiing ("botsingen") zeer klein. Dit verklaart dat er geen elektrische weerstand is in supergeleidingstoestand.

De BCS-theorie bleek precies overeen te komen met het gedrag van metalen en legeringen bij lage temperaturen. In 1973 werd een niobium-germanium (Nb3Ge) legering gefabriceerd die bij 23,3 kelvin supergeleidend werd.

Materialen[bewerken]

Meer dan de helft van de metalen uit het periodiek systeem der elementen is in een supergeleidende toestand te brengen. Goede supergeleidende elementen zijn niobium (41Nb; TC=9,25 K), vanadium (23V; TC=5,4 K), lanthaan (57La; TC=4,8 K), tantaal (73Ta; TC=4,4 K) en kwik (80Hg; TC=4,15 K). Daarentegen blijken metalen zoals koper, zilver en ijzer ook bij extreem lage temperaturen niet supergeleidend te worden.

Betere lage-temperatuursupergeleiders worden gemaakt van speciale legeringen, zoals vanadiumsilicium (V3Si; TC=17 K), niobiumtin (Nb3Sn; TC=18,3 K) en niobiumgermanium (Nb3Ge; TC=23,3 K). Dit zijn genaamde A15-supergeleiders omdat ze een chemische structuur A3B hebben met A = Nb, V, Ta, Zr en B = Sn, Ge, Al, Ga, Si.

'Warme' supergeleiders[bewerken]

Tijdlijn van supergeleiders met hun temperaturen
Nuvola single chevron right.svg Zie hogetemperatuursupergeleiding voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

In de lente van 1986 ontdekten de Zwitserse wetenschappers Georg Bednorz en Alex Müller een nieuw materiaal dat supergeleidend werd bij een temperatuur van 35 kelvin. Wat nog meer opmerkelijk was was dat de gevonden supergeleider geen metaal of legering was maar keramisch materiaal bestaande uit lanthaan, barium en koperoxide. Door lanthaan te vervangen door yttrium creëerden onderzoekers van de universiteit van Houston, onder leiding van Paul Chu, een supergeleider die bij 93 kelvin supergeleidend werd, een temperatuur die met goedkopere, vloeibare stikstof (kookpunt 77 K) is te bereiken.

Er zijn sinds een aantal jaren enkele cupraten (verbindingen met CunOm, zoals yttrium-barium-koperoxide, bismut-strontium-calcium-koperoxide en kwik-barium-calcium-koperoxide) die bij temperaturen tot 135 kelvin (−138,15 graden Celsius) supergeleidend zijn,[11] maar zij hebben weer andere nadelen; het zijn keramische materialen die zich moeilijk tot een draad laten vormen en zij verdragen vaak niet zulke hoge stromen (lees: magnetische velden).

De benaming "warme supergeleider" moet natuurlijk relatief worden gezien. Een temperatuur van −138,15°C is laag, maar het is zeer warm vergeleken bij de temperaturen waarop supergeleiding aanvankelijk optrad.

Toepassingen[bewerken]

Een MRI scanner gebruikt supergeleidende magneten

Supergeleidende materialen worden vooral toegepast waar het gunstig is om absoluut geen elektrische verliezen te hebben. Door de ontdekking van 'warme' supergeleiders kan dit nu in principe bij de temperatuur van vloeibaar stikstof, een relatief makkelijk te hanteren koelmiddel. De eigenschappen van de betreffende materialen zijn echter niet zo gunstig: het zijn keramische, nogal brosse materialen, die bovendien geen sterke magnetische velden kunnen verdragen zonder hun supergeleiding te verliezen.

In praktische toepassingen vinden we daarom nog voornamelijk supergeleidende metalen, die met vloeibaar helium gekoeld moeten worden. Het bekendste voorbeeld is wellicht de MRI-scanner die men in grote ziekenhuizen aantreft. Om de grote magnetische velden op te wekken zonder enorm warmteverlies en de daarmee gepaard gaande verhitting, gebruikt men supergeleidende spoelen als elektromagneet. Supergeleidende spoelen worden ook gebruikt als stuurmagneet in deeltjesversnellers.

Supergeleidende spoelen worden ook gebruikt als stuurmagneet in deeltjesversnellers, waaronder de Large Hadron Collider (LHC), en in NMR-spectrometers (voor het op moleculair en atomair niveau in beeld brengen van materialen). Supergeleidende spoelen worden ook gebruikt in tokamaks voor kernfusie, zoals de experimentele kernfusiereactor ITER: ze worden daar gebruikt om het krachtige magnetische veld op te wekken waarmee het plasma wordt opgesloten. Dat laatste moet wel in een magnetisch veld omdat het plasma een extreme temperatuur van 100 tot 150 miljoen kelvin heeft.

In de experimentele natuurkunde gebruikt men wel SQUIDs, kleine supergeleidende stroomkringen om minuscule elektromagnetische velden te detecteren, bijvoorbeeld velden ten gevolge van één deeltje. Het is ook mogelijk om met behulp van zogenaamde Josephson-juncties logische schakelingen te maken.

Voor toekomstige toepassingen kan men denken aan supergeleidende hoogspanningsleidingen om transportverliezen ten gevolge van elektrische weerstand te minimaliseren. Ook Maglev-treinen zouden van supergeleidende technologie gebruik kunnen gaan maken.

Externe link[bewerken]

Bronnen, noten en/of referenties
  • Ortoli, Sven; Klein, Jean, De uitzonderlijke geschiedenis van de supergeleiding, Van Gennep, Amsterdam, 1990 ISBN 978-90-6012-828-2.
  • Brom, Helko E. van den; Lang, Herman de, Cannon van de Natuurkunde, Veen Magazines, 2009, Blz. 130-132, 243-246 ISBN 978-90-857-1235-0.
  • Herman de Lang (2011). Twee-vloeistoffenmodel van supergeleiding. NTvN 77 (1): 8-12 .
  1. Martijn van Calmthout (28 januari 2011). Ontdekking supergeleiding was geen geluk bij een ongeluk. De Volkskrant . Geraadpleegd op 26 juli 2011.
  2. D. van Delft, P. Kes (september 2010). The discovery of superconductivity. Physics Today: p. 38 (American Institute of Physics). Geraadpleegd op 26 juli 2011.
  3. T. Können (29 april 2011). Cryostaatkunst. De Ingenieur 123 (7): p. 28—31 (Veen Magazines / KIVI NIRIA).
  4. H. K. Onnes (1911). The resistance of pure mercury at helium temperatures. Commun. Phys. Lab. Univ. Leiden 12 .
  5. H. Kamerlingh Onnes (1911). Further experiments with liquid helium. C. On the change of electric resistance of pure metals at very low temperatures etc. IV. The resistance of pure mercury at helium temperatures. Proceedings, Koninklijke Akademie van Wetenschappen 13: 1274-1276 .
  6. W. Meissner, R. Ochsenfeld (1933). Ein neuer Effekt bei Eintritt der Supraleitfähigkeit. Naturwissenschaften 21 (44): 787-788 . DOI:10.1007/BF01504252.
  7. F. London, H. London (1935). The Electromagnetic Equations of the Supraconductor. Proceedings of the Royal Society of London A 149 (866): 71-88 . DOI:10.1098/rspa.1935.0048.
  8. V.L. Ginzburg, L.D. Landau (1950). On the theory of superconductivity. Zhurnal Eksperimental'noi i Teoreticheskoi Fiziki 20 .
  9. J. Bardeen, L.N. Cooper, J.R. Schrieffer (1957). Microscopic Theory of Superconductivity. Physical Review 106 (1): 162-164 . DOI:10.1103/PhysRev.106.162.
  10. J. Bardeen, L.N. Cooper, J.R. Schrieffer (1957). Theory of Superconductivity. Physical Review 108 (5): 1175-1205 . DOI:10.1103/PhysRev.108.1175.
  11. B. Moes (29 april 2011). Geen weerstand meer. De Ingenieur 123 (7): p. 18-25 (Veen Magazines / KIVI NIRIA).