Een mengsel van waterstof, koolstof en zwavel blijkt supergeleidend bij kamertemperatuur. Een heilige graal in de natuurkunde. Er zit wel een addertje onder het gras: het werkt alleen bij extreem hoge druk. Toch het is een belangrijke, symbolische stap, die mogelijk kan leiden tot een materiaal dat bij normale temperatuur én druk elektriciteit zonder weerstand geleidt.

Bij supergeleiding stroomt elektriciteit zonder weerstand en dus zonder energieverlies ergens doorheen. Dit fenomeen is nu bereikt bij 15 °C, een recordtemperatuur, die bovendien voldoet aan de natuurkundige definitie van ‘kamertemperatuur’ (boven 0 °C ).

Om dit voor elkaar te krijgen, moesten Amerikaanse onderzoekers een mengsel wel tussen twee diamanten samenpersen bij een druk van 2,6 miljoen bar. Dat is vergelijkbaar met de druk in het binnenste van de aarde. Dat deze hoge druk nodig is, betekent dat er voorlopig geen toepassingen zijn voor dit supergeleidende goedje.

Wetenschapsjournalisten zijn niet simpelweg een bron van ruis
LEES OOK
Wetenschapsjournalisten zijn niet simpelweg een bron van ruis

Het leek onmogelijk

Het bestaan van supergeleidende materialen is al ruim 100 jaar bekend. Maar om deze bijzondere eigenschap te bereiken, moet je de materialen doorgaans behoorlijk afkoelen. De meeste supergeleiders werken bij zeer lage temperaturen, vaak onder -200 °C.

Zelfs onder deze extreem koude voorwaarde zijn er diverse toepassingen voor supergeleiders. Zo worden ze gebruikt om krachtige magneetvelden op te wekken die nodig zijn in MRI-scanners en in de deeltjesversneller LHC bij CERN in Genève. Maar de noodzaak voor grote, complexe koelinstallaties belemmert breder gebruik.

Magneet zweeft boven een supergeleider die tot een lage temperatuur wordt afgekoeld met vloeibaar stikstof. Bron: University of Rochester photo / J. Adam Fenster

Supergeleiding bij meer alledaagse temperaturen zou het toepassingsgebied enorm uitbreiden: van elektriciteitskabels die bijna zonder energieverlies stroom vervoeren tot zwevende magneettreinen die enkel luchtweerstand ervaren als ze voorbij zoeven.

In theorie is er geen reden waarom supergeleiding bij kamertemperatuur niet kan bestaan. Maar in de praktijk leek het decennialang onmogelijk. ‘Men begon te vermoeden dat supergeleiding bij kamertemperatuur een droom was; iets dat nooit zou lukken’, vertelt natuurkundige Milan Allan van de Universiteit Leiden.

Allan was niet betrokken bij het onderzoek. Hij noemt het een ‘coole, symbolische eerste stap’ naar breder toepasbare supergeleiding. ‘Deze resultaten maken me erg blij.’

Lastige metingen

Het Amerikaanse onderzoek bouwt voort op supergeleidingsexperimenten bij hoge druk die in 2015 begonnen met een mengsel van waterstof en zwavel. Dat mengsel verloor zijn elektrische weerstand bij -70°C. In 2018 lukte het een andere groep met een mengsel van waterstof en lanthaan bij -13°C. Al deze onderzoeken ondersteunen de decennia oude voorspelling van theoretisch fysicus Neil Ashcroft dat waterstofrijke materialen supergeleidend kunnen zijn.

Veel weten de onderzoekers nog niet over hun nieuwe supergeleidende mengsel van waterstof, koolstof en zwavel. Metingen zijn erg lastig, omdat er maar een klein beetje van de stof is en het samengeperst wordt tussen de punten van twee diamanten. De onderzoekers kunnen daarom zelfs niet met zekerheid de chemische structuur bepalen. Ze weten dus niet precies wat voor materiaal de drie elementen samen vormen.

Ook de metingen die de supergeleiding moesten vaststellen waren lastig. Vervolgonderzoek is dus nodig. Desondanks hebbende onderzoekers een overtuigend resultaat neergezet. Allan: ‘Het is een goed uitgevoerd onderzoek dat deze publicatie in Nature zeker verdient. Dit specifieke materiaal is misschien niet bruikbaar als praktische supergeleider, maar mogelijk leidt de opgedane kennis tot een materiaal dat ook bij normale druk werkt.’

Apparatuur, waaronder de diamanten ‘drukpers’ (blauwe doos) en lasers, in het supergeleidingslaboratorium. Bron: University of Rochester / J. Adam Fenster