"We geloven dat dit nu een nieuw tijdperk van supergeleiding is", vertelde Russell Hemley, materiaalwetenschapper aan de George Washington University in Washington, D.C., op 4 maart tijdens een bijeenkomst van de American Physical Society aan een menigte onderzoekers.
Beelden verlichtten het scherm achter hem: een schema van een apparaat om kleine dingen te verpletteren tussen de superharde punten van tegenover elkaar liggende diamanten, grafieken van temperatuur en elektrische weerstand, een gloeiende bal met een ruwe, zwarte "X" in het midden.
Dat laatste beeld was de belichaming van het nieuwe tijdperk zelf: een klein monster lanthaan-superhydride (of LaH10) geperst tot een druk die vergelijkbaar is met de druk die halverwege de aardkern wordt gevonden en met een laser verhit tot temperaturen die een stevige late winterdag in New England naderen . (Dat is brandwonden volgens de normen van supergeleidingonderzoek, meestal uitgevoerd in extreme laboratoriumkou.) Onder die omstandigheden hadden Hemley en zijn team ontdekt dat LaH10 niet langer weerstand biedt aan de beweging van elektronen tussen zijn atomen. Het wordt blijkbaar, zoals Hemley het noemde in zijn APS-lezing en in een paper dat op 14 januari in het tijdschrift Physical Review Letters werd gepubliceerd, een 'supergeleider op kamertemperatuur'.
Bevroren wetenschap
Al in 1911 ontdekte de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes dat bij extreem lage temperaturen bepaalde stoffen ongebruikelijke elektrische eigenschappen vertonen.
Onder normale omstandigheden verliest een elektrische stroom die door een geleidend materiaal gaat (zoals een koperdraad) onderweg enige intensiteit. Zelfs de zeer goede geleiders die we gebruiken in onze elektrische netten zijn niet perfect en transporteren niet alle energie van een elektriciteitscentrale naar uw stopcontact. Sommige elektronen raken onderweg gewoon verloren.
Maar supergeleiders zijn anders. Een elektrische stroom die in een lus van supergeleidende draad wordt geïntroduceerd, blijft voor altijd cirkelen, zonder enig verlies. Supergeleiders verdrijven magnetische velden en duwen daarom krachtig magneten weg. Ze hebben toepassingen in high-speed computing en andere technologieën. Het probleem is dat het soort extreem lage temperaturen waarbij supergeleiders gewoonlijk werken, ze onpraktisch maakt voor algemeen gebruik.
Jagen zonder kaart
Al meer dan een eeuw jagen natuurkundigen op supergeleiding in warmere materialen. Maar het vinden van supergeleiding lijkt een beetje op opvallend goud: ervaringen en theorieën uit het verleden kunnen je in grote lijnen vertellen waar je ernaar moet zoeken, maar je weet pas echt waar het is als je het dure, tijdrovende controlewerk verricht.
"Je hebt zoveel materialen. Je hebt een enorme ruimte om te verkennen", zegt Lilia Boeri, natuurkundige aan de Sapienza Universiteit van Rome, die na Hemley werk presenteerde over de mogelijkheid van supergeleiders die nog warmer zijn dan LaH10, en legde uit waarom dit soort materialen zijn supergeleidend bij extreme drukken.
In 1986 ontdekten onderzoekers keramiek dat supergeleidend was bij temperaturen tot wel 30 graden boven het absolute nulpunt, of minus 406 graden Fahrenheit (minus 243 graden Celsius). Later, in de jaren negentig, keken onderzoekers eerst serieus naar zeer hoge druk om te zien of ze nieuwe soorten supergeleiders zouden kunnen onthullen.
Maar op dat moment, vertelde Boeri aan WordsSideKick.com, was er nog steeds geen goede manier om te bepalen of een materiaal supergeleidend zou blijken te zijn, of bij welke temperatuur het zou doen, totdat het werd getest. Als gevolg hiervan bleven kritische temperatuurrecords - de temperaturen waarbij supergeleiding optreedt - erg laag.
'Het theoretische kader was er, maar ze konden het niet gebruiken', zei Boeri.
De volgende grote doorbraak kwam in 2001, toen onderzoekers aantoonden dat magnesiumdiboride (MgB2) supergeleidend was op 39 graden boven het absolute nulpunt, of minus 389 F (minus 234 C).
'was behoorlijk laag', zei ze, 'maar was op dat moment een grote doorbraak, omdat het aantoonde dat je supergeleiding kon hebben met een kritische temperatuur die twee keer zo hoog was als eerder werd gedacht.'
Verpletterende waterstof
Sindsdien is de jacht op warme supergeleiders op twee belangrijke manieren verschoven: materiaalwetenschappers realiseerden zich dat lichtere elementen verleidelijke mogelijkheden voor supergeleiding boden. Ondertussen gingen computermodellen zo ver dat theoretici vooraf konden voorspellen hoe materialen zich in extreme omstandigheden zouden kunnen gedragen.
Natuurkundigen begonnen op de voor de hand liggende plaats.
'Dus je wilt lichte elementen gebruiken, en het lichtste element is waterstof', zei Boeri. "Maar het probleem is waterstof zelf - dit kan niet supergeleidend worden gemaakt, omdat het een isolator is. Dus om een supergeleider te hebben, moet je er eerst een metaal van maken. Je moet er iets aan doen en het beste wat je kunt doen knijpt erin. '
In de chemie is een metaal vrijwel elke verzameling aan elkaar gebonden atomen omdat ze in een vrij stromende soep van elektronen zitten. De meeste materialen die we metalen noemen, zoals koper of ijzer, zijn metaalachtig bij kamertemperatuur en bij comfortabele atmosferische druk. Maar andere materialen kunnen metalen worden in extremere omgevingen.
In theorie is waterstof daar een van. Maar er is een probleem.
'Dat vereist een veel hogere druk dan met bestaande technologie kan worden gedaan', zei Hemley in zijn toespraak.
Dat laat onderzoekers op jacht naar materialen die veel waterstof bevatten die metalen zullen vormen - en hopelijk supergeleidend worden, onder haalbare druk.
Op dit moment, aldus Boeri, bieden theoretici die met computermodellen werken experimentele materialen aan die mogelijk supergeleiders zijn. En de experimentalisten kiezen de beste opties om uit te testen.
Er zijn echter grenzen aan de waarde van die modellen, zei Hemley. Niet elke voorspelling komt uit in het lab.
'Je kunt berekeningen heel effectief gebruiken in dit werk, maar je moet dat kritisch doen en uiteindelijk experimentele tests uitvoeren', zei hij tegen de verzamelde menigte.
Hemley en de "kamertemperatuur supergeleider" van zijn team, LaH10, lijken het meest opwindende resultaat tot nu toe uit dit nieuwe tijdperk van onderzoek te zijn. Verpletterd tot ongeveer 1 miljoen keer de druk van de atmosfeer van de aarde (200 gigapascal) tussen de punten van twee tegengestelde diamanten, lijkt een monster van LaH10 supergeleidend te worden op 260 graden boven het absolute nulpunt of 8 F (min 13 C).
Een andere proef van het in hetzelfde artikel beschreven experiment bleek supergeleiding te vertonen bij 280 graden boven het absolute nulpunt of 44 F (7 C). Dat is een kille kamertemperatuur, maar een niet al te moeilijke temperatuur om te bereiken.
Hemley beëindigde zijn toespraak door te suggereren dat dit hogedrukwerk op de weg zou kunnen leiden tot materialen die supergeleiders zijn bij zowel warme temperaturen als normale drukken. Misschien kan een materiaal, eenmaal onder druk gezet, een supergeleider blijven nadat de druk is weggenomen, zei hij. Of misschien kunnen de lessen over chemische structuur die bij hoge temperaturen zijn geleerd de weg wijzen naar supergeleidende lagedrukstructuren.
Dat zou een gamechanger zijn, zei Boeri.
'Dit ding is in wezen fundamenteel onderzoek. Het heeft geen toepassing', zei ze. 'Maar laten we zeggen dat je iets bedenkt dat 10 keer lager werkt dan nu. Dit opent de deur naar supergeleidende draden, andere dingen.'
Op de vraag of ze verwacht tijdens haar leven een supergeleider op kamertemperatuur te zien, knikte ze enthousiast.
'Zeker,' zei ze.
