Definitie, typen en toepassingen van supergeleiders

Een supergeleider is een element of metaallegering die, wanneer afgekoeld tot een bepaalde drempeltemperatuur, het materiaal dramatisch alle elektrische weerstand verliest. In principe kunnen supergeleiders elektrische stroom laten vloeien zonder enig energieverlies (hoewel in de praktijk een ideale supergeleider erg moeilijk te produceren is). Dit type stroom wordt een superstroom genoemd.

De drempeltemperatuur waaronder een materiaal overgaat in een supergeleiderstatus wordt aangeduid als T_c, wat staat voor kritische temperatuur. Niet alle materialen veranderen in supergeleiders, en de materialen die elk hun eigen waarde hebben T_c.

Soorten supergeleiders

• Type I supergeleiders fungeren als geleiders bij kamertemperatuur, maar wanneer beneden afgekoeld T_c, de moleculaire beweging in het materiaal vermindert voldoende zodat de stroom stroom ongehinderd kan bewegen.
• Type 2 supergeleiders zijn niet bijzonder goede geleiders bij kamertemperatuur, de overgang naar een supergeleidende toestand is geleidelijker dan Type 1 supergeleiders. Het mechanisme en de fysieke basis voor deze statusverandering is momenteel niet volledig begrepen. Type 2 supergeleiders zijn typisch metaalverbindingen en legeringen.

Ontdekking van de supergeleider

Supergeleiding werd voor het eerst ontdekt in 1911 toen kwik werd afgekoeld tot ongeveer 4 graden Kelvin door de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes, wat hem de Nobelprijs voor natuurkunde van 1913 opleverde. In de jaren daarna is dit veld enorm uitgebreid en zijn vele andere vormen van supergeleiders ontdekt, waaronder Type 2 supergeleiders in de jaren dertig.

De basistheorie van supergeleiding, BCS-theorie, leverde de wetenschappers John Bardeen, Leon Cooper en John Schrieffer de Nobelprijs voor de natuurkunde 1972. Een deel van de Nobelprijs voor natuurkunde uit 1973 ging naar Brian Josephson, ook voor het werken met supergeleiding.

In januari 1986 deden Karl Muller en Johannes Bednorz een ontdekking die een revolutie teweegbracht in de manier waarop wetenschappers dachten over supergeleiders. Voorafgaand aan dit punt, was het begrip dat supergeleiding zich alleen manifesteerde wanneer afgekoeld tot bijna absoluut nul, maar met behulp van een oxide van barium, lanthaan en koper, vonden ze dat het een supergeleider werd bij ongeveer 40 graden Kelvin. Dit leidde tot een race om materialen te ontdekken die bij veel hogere temperaturen als supergeleiders functioneerden.

In de decennia daarna waren de hoogste temperaturen die werden bereikt ongeveer 133 graden Kelvin (hoewel je tot 164 graden Kelvin kon krijgen als je een hoge druk uitoefende). In augustus 2015 rapporteerde een artikel in het tijdschrift Nature de ontdekking van supergeleiding bij een temperatuur van 203 graden Kelvin bij hoge druk.

Toepassingen van supergeleiders

Supergeleiders worden gebruikt in verschillende toepassingen, maar met name binnen de structuur van de Large Hadron Collider. De tunnels die de stralen van geladen deeltjes bevatten, zijn omgeven door buizen met krachtige supergeleiders. De superstromen die door de supergeleiders stromen, genereren een intens magnetisch veld, via elektromagnetische inductie, dat kan worden gebruikt om het team naar wens te versnellen en te sturen.

Bovendien vertonen supergeleiders het Meissner-effect waarbij ze alle magnetische flux in het materiaal opheffen en perfect diamagnetisch worden (ontdekt in 1933). In dit geval reizen de magnetische veldlijnen feitelijk rond de gekoelde supergeleider. Het is deze eigenschap van supergeleiders die vaak wordt gebruikt in experimenten met magnetische levitatie, zoals de kwantumvergrendeling die wordt gezien bij kwantumlevitatie. Met andere woorden, als Terug naar de toekomst hoverboards in stijl worden ooit een realiteit. In een minder alledaagse toepassing spelen supergeleiders een rol in moderne ontwikkelingen in magnetische levitatietreinen, die een krachtige mogelijkheid bieden voor hogesnelheidstreinvervoer op basis van elektriciteit (die kan worden opgewekt met hernieuwbare energie) in tegenstelling tot niet-hernieuwbare stroom opties zoals vliegtuigen, auto's en kolen aangedreven treinen.

Uitgegeven door Anne Marie Helmenstine, Ph.D.