Er bestaat een materiaal dat bij hoge temperatuur supergeleidend is, voorspelt een internationale groep natuurkundigen. Uit hun berekeningen blijkt dat de stof, die grotendeels uit waterstof bestaat, bij 200°C verandert in een supergeleider.

Supergeleiders zijn materialen die zonder weerstand elektriciteit geleiden. De meeste supergeleiders werken alleen bij een erg lage temperatuur, van enkele tientallen graden boven het absolute nulpunt (-273,15°C). Een materiaal dat supergeleidend is bij kamertemperatuur is de heilige graal onder de supergeleiders. Met zo’n materiaal zouden we elektriciteit wrijvingsloos over grote afstanden kunnen verplaatsen, zonder energieverlies.

‘Bij het bewustzijn gaan onze huidige quantum­theorieën de mist in’
LEES OOK

‘Bij het bewustzijn gaan onze huidige quantum­theorieën de mist in’

Tijdens zijn carrière van meer dan zeven decennia is wis- en ­natuurkundige

Het is uitzonderlijk dat onderzoekers nu voorspellen dat een materiaal supergeleidend is bij een erg hoge temperatuur, 200°C. Hun voorgestelde materiaal bestaat uit waterstof, met een beetje magnesium en lithium. Als hun voorspelling experimenteel wordt bevestigd, zou dat het huidige temperatuurrecord voor supergeleiding,  bij-23°C, van de kaart vegen.

Gigadruk

Maar er zit een addertje onder het gras. Het materiaal is alleen supergeleidend bij een extreem hoge druk, van 250 gigapascal (GPa). Dat is bijna gelijk aan de druk die heerst in het binnenste van de aarde.

Een dergelijk hoge druk is haalbaar in een laboratorium. Maar zelfs daar is het een lastige klus. Twee diamanten kunnen het materiaal samenpersen, een precisiewerk waarbij grote krachten werken. Het samenpersen mag de meting of de stof supergeleidend is niet in de weg zitten.

Waterstofrijk

Het is geen toeval dat het voorgestelde materiaal grotendeels uit waterstofatomen bestaat. Waterstofrijke materialen zijn goede kanshebbers om supergeleidend te zijn bij kamertemperatuur. Dat komt omdat ze lijken op metallisch waterstof, dat volgens voorspellingen supergeleidend is bij gematigde temperatuur. Om metallisch waterstof te maken, is waarschijnlijk een druk van meer dan 400 GPa nodig.

Door de moleculaire structuur lijkt het theoretici waarschijnlijk dat materialen die rijk zijn aan waterstof en ook enkele andere atomen bevatten, een minder hoge druk vereisen om supergeleidend te worden bij kamertemperatuur.

De berekende stof bestaat uit waterstof (rood) met een beetje magnesium (blauw) en lithium (groen). Bron: Ying Sun et al/Phys. Rev. Lett.

Computermodel

Het computermodel waarmee de onderzoekers hun voorspelling deden, ontwikkelden ze al in 2014. Ze gebruikten hetzelfde model eerder om de huidige recordhouder aan te wijzen: lanthanium-hydride (LaH10). In 2018 werd experimenteel aangetoond dat dat materiaal inderdaad supergeleidend is bij –23 °C en 170 Gpa.

‘Dit is een belangrijke voorspelling op basis van een theorie die redelijk nauwkeurig is gebleken’, zegt natuurkundige Russell Hemley, die niet betrokken was bij het onderzoek.

Omdat er in beide gevallen een extreem hoge druk nodig is, zullen deze supergeleiders geen directe praktische toepassingen hebben. De onderzoekers schrijven dat ze de methode waarmee zij dit materiaal gevonden hebben, willen gebruiken om nog meer waterstofrijke supergeleiders te vinden. Mogelijk zit daar de heilige graal bij, die werkt bij onder praktisch toepasbare omstandigheden.