Hoe bij kamertemperatuur supergeleiding de wereld zou kunnen veranderen

Stel je een wereld voor waarin magnetische levitatie (maglev) treinen gemeengoed zijn, computers razendsnel zijn, stroomkabels weinig verlies hebben en nieuwe deeltjesdetectoren bestaan. Dit is de wereld waarin supergeleiders op kamertemperatuur een realiteit zijn. Tot nu toe is dit een droom van de toekomst, maar wetenschappers zijn dichter dan ooit bij het bereiken van supergeleiding bij kamertemperatuur.

Wat is bij kamertemperatuur supergeleiding?

Een kamertemperatuur supergeleider (RTS) is een type supergeleider op hoge temperatuur (high-T_c of HTS) die dichter bij kamertemperatuur werkt dan bij absoluut nul. De bedrijfstemperatuur boven 0 ° C (273,15 K) ligt echter nog steeds ver onder wat de meesten van ons als "normale" kamertemperatuur (20 tot 25 ° C) beschouwen. Onder de kritieke temperatuur heeft de supergeleider nul elektrische weerstand en verdrijving van magnetische fluxvelden. Hoewel het een vereenvoudiging is, kan supergeleiding worden gezien als een staat van perfecte elektrische geleidbaarheid.

Supergeleiders bij hoge temperaturen vertonen supergeleiding boven 30 K (-243,2 ° C). Terwijl een traditionele supergeleider met vloeibaar helium moet worden gekoeld om supergeleidend te worden, kan een supergeleider op hoge temperatuur met vloeibare stikstof worden gekoeld. Een supergeleider op kamertemperatuur kan daarentegen worden gekoeld met gewoon waterijs. 

De zoektocht naar een supergeleider op kamertemperatuur

De kritische temperatuur voor supergeleiding op een praktische temperatuur brengen is een heilige graal voor natuurkundigen en elektrotechnici. Sommige onderzoekers geloven dat supergeleiding op kamertemperatuur onmogelijk is, terwijl anderen wijzen op vooruitgang die eerder overtuigingen al heeft overtroffen.

Supergeleiding werd in 1911 ontdekt door Heike Kamerlingh Onnes in vast kwik gekoeld met vloeibaar helium (1913 Nobelprijs voor de natuurkunde). Pas in de jaren 1930 stelden wetenschappers een verklaring voor over hoe supergeleiding werkt. In 1933 legden Fritz en Heinz London het Meissner-effect uit, waarbij een supergeleider interne magnetische velden verdrijft. Uit de Londense theorie groeide de verklaring met de Ginzburg-Landau-theorie (1950) en de microscopische BCS-theorie (1957, genoemd naar Bardeen, Cooper en Schrieffer). Volgens de BCS-theorie leek supergeleiding verboden bij temperaturen boven 30 K. Toch ontdekten Bednorz en Müller in 1986 het eerste supergeleider op hoge temperatuur, een op lanthaan gebaseerd koper-perovskietmateriaal met een overgangstemperatuur van 35 K. De ontdekking verdiende hen de 1987 Nobelprijs voor de natuurkunde en opende de deur voor nieuwe ontdekkingen.

De tot nu toe hoogste supergeleider tot nu toe, ontdekt in 2015 door Mikhail Eremets en zijn team, is zwavelhydride (H₃S). Zwavelhydride heeft een overgangstemperatuur van ongeveer 203 K (-70 ° C), maar alleen onder extreem hoge druk (ongeveer 150 gigapascal). Onderzoekers voorspellen dat de kritische temperatuur kan worden verhoogd boven 0 ° C als de zwavelatomen worden vervangen door fosfor, platina, selenium, kalium of tellurium en een nog hogere druk wordt toegepast. Hoewel wetenschappers verklaringen hebben voorgesteld voor het gedrag van het zwavelhydridesysteem, konden ze het elektrische of magnetische gedrag niet repliceren.

Supergeleidend gedrag bij kamertemperatuur is geclaimd voor andere materialen dan zwavelhydride. De supergeleidende supergeleider yttrium barium koperoxide (YBCO) kan supergeleidend worden bij 300 K met behulp van infrarood laserpulsen. Vaste stof-fysicus Neil Ashcroft voorspelt dat vast metaalwaterstof bij kamertemperatuur supergeleidend moet zijn. Het Harvard-team dat beweerde metaalwaterstof te maken, meldde dat het Meissner-effect mogelijk is waargenomen bij 250 K. Gebaseerd op exciton-gemedieerde elektronenparen (niet fonon-gemedieerde paren van BCS-theorie), is het mogelijk dat hoge temperatuur supergeleiding kan worden waargenomen in organische polymeren onder de juiste omstandigheden.

Het komt neer op

Talrijke rapporten van supergeleiding bij kamertemperatuur verschijnen in wetenschappelijke literatuur, dus vanaf 2018 lijkt de prestatie mogelijk. Het effect duurt echter zelden lang en is duivels moeilijk te repliceren. Een ander probleem is dat extreme druk nodig kan zijn om het Meissner-effect te bereiken. Zodra een stabiel materiaal is geproduceerd, zijn de meest voor de hand liggende toepassingen de ontwikkeling van efficiënte elektrische bedrading en krachtige elektromagneten. Vanaf daar is de lucht de limiet, wat betreft elektronica. Een kamertemperatuur supergeleider biedt de mogelijkheid van geen energieverlies bij een praktische temperatuur. De meeste toepassingen van RTS moeten nog worden bedacht.

Hoofdpunten

• Een kamertemperatuurgeleider (RTS) is een materiaal dat in staat is tot supergeleiding boven een temperatuur van 0 ° C. Het is niet noodzakelijk supergeleidend bij normale kamertemperatuur.
• Hoewel veel onderzoekers beweren dat ze bij kamertemperatuur supergeleiding hebben waargenomen, zijn wetenschappers niet in staat geweest om de resultaten betrouwbaar te repliceren. Er bestaan ​​echter hoge temperatuur supergeleiders, met overgangstemperaturen tussen −243,2 ° C en −135 ° C.
• Potentiële toepassingen van kamertemperatuurgeleidende supergeleiders zijn snellere computers, nieuwe methoden voor gegevensopslag en verbeterde energieoverdracht.

Referenties en voorgestelde literatuur

• Bednorz, J. G .; Müller, K. A. (1986). "Mogelijk hoge TC-supergeleiding in het Ba-La-Cu-O-systeem". Zeitschrift für Physik B. 64 (2): 189-193.
• Drozdov, A. P .; Eremets, M. I .; Troyan, I. A .; Ksenofontov, V .; Shylin, S. I. (2015). "Conventionele supergeleiding bij 203 Kelvin bij hoge drukken in het zwavelhydridesysteem". Natuur. 525: 73-6.
• Ge, Y. F .; Zhang, F .; Yao, Y. G. (2016). "Eerste principes demonstratie van supergeleiding bij 280 K in waterstofsulfide met lage fosforvervanging". Phys. Rev. B. 93 (22): 224513.
• Khare, Neeraj (2003). Handboek van hoge temperatuur supergeleiderelektronica. CRC Druk.
• Mankowsky, R .; Subedi, A .; Först, M .; Mariager, S. O .; Chollet, M .; Lemke, H. T .; Robinson, J. S .; Glownia, J. M .; Minitti, M. P .; Frano, A .; Fechner, M .; Spaldin, N. A .; Loew, T .; Keimer, B .; Georges, A .; Cavalleri, A. (2014). "Niet-lineaire roosterdynamiek als basis voor verbeterde supergeleiding in YBa₂Cu₃O_6.5". Natuur. 516 (7529): 71-73. 
• Mourachkine, A. (2004). Supergeleiding op kamertemperatuur. Cambridge International Science Publishing.