211service.com
De supergeleider die werkt bij aardetemperatuur
De wereld van supergeleiding is in rep en roer. Vorig jaar maakten Mikhail Eremets en een paar vrienden van het Max Planck Instituut voor Chemie in Mainz, Duitsland, de buitengewone bewering dat ze waterstofsulfide supergeleidend hadden gezien bij -70 °C. Dat is zo'n 20 graden heter dan enig ander materiaal - een enorme stijging ten opzichte van het huidige record.
Volgers van deze blog zullen heb afgelopen december over dit werk gelezen , toen het voor het eerst op de arXiv. Natuurkundigen waren destijds terughoudend met het werk. De geschiedenis van supergeleiding is bezaaid met dubieuze beweringen over activiteit bij hoge temperaturen die later onmogelijk te reproduceren blijkt te zijn.
Maar in de maanden daarna hebben Eremets en co hard gewerkt om de laatste stukken overtuigend bewijs op te roepen. Een paar weken geleden werd hun paper eindelijk gepubliceerd in het peer-reviewed tijdschrift Natuur , waardoor het de rubberen stempel van respectabiliteit krijgt die de reguliere natuurkunde vereist. Plotseling is supergeleiding weer in de krantenkoppen.
Vandaag geven Antonio Bianconi en Thomas Jarlborg van het Rome International Centre for Materials Science Superstripes in Italië een overzicht van dit opwindende veld. Deze jongens geven een overzicht van de ontdekking van Eremet en co en een behandeling van het theoretische werk dat het probeert te verklaren.
Eerst wat achtergrond. Supergeleiding is het fenomeen van nul elektrische weerstand dat optreedt in sommige materialen wanneer ze worden afgekoeld tot onder een kritische temperatuur.
Dit fenomeen wordt goed begrepen in conventionele supergeleiders, die in wezen stijve roosters van positieve ionen zijn die baden in een zee van elektronen. Elektrische weerstand treedt op omdat elektronen tegen dit rooster botsen en energie verliezen als ze er doorheen bewegen.
Bij lage temperaturen kunnen elektronen zich echter aan elkaar binden om Cooper-paren te vormen. Tegelijkertijd wordt het rooster stijf genoeg om de coherente beweging van golven, fononen genaamd, mogelijk te maken.
Supergeleiding treedt op wanneer de Cooper-paren en de fononen samen door het materiaal reizen, waarbij de golven in wezen de weg vrijmaken voor de elektronenparen. En het breekt af wanneer de trillingen in het rooster - de temperatuur - sterk genoeg worden om de Cooper-paren uit elkaar te halen. Dat is de kritische temperatuur.
Tot voor kort was de hoogste kritische temperatuur van deze soort ongeveer 40 kelvin of -230 celsius.
Er zijn in wezen drie kenmerken waarnaar natuurkundigen zoeken als bewijs dat een materiaal supergeleidend is. De eerste is een plotselinge daling van de elektrische weerstand wanneer het materiaal onder deze kritische temperatuur wordt afgekoeld. De tweede is de uitdrijving van magnetische velden uit het materiaal, een fenomeen dat bekend staat als het Meissner-effect.
De derde is een verandering in de kritische temperatuur wanneer atomen in het materiaal worden vervangen door isotopen. Dat komt omdat het verschil in isotoopmassa ervoor zorgt dat het rooster anders gaat trillen, waardoor de kritische temperatuur verandert.
Maar er is nog een ander soort supergeleiding die veel minder goed wordt begrepen. Het gaat om bepaalde keramische stoffen die in de jaren tachtig zijn ontdekt en supergeleidend zijn tot temperaturen van ongeveer -110 graden Celsius. Niemand begrijpt echt hoe dit werkt, maar veel van het onderzoek in de supergeleidingsgemeenschap heeft zich gericht op deze exotische materialen.
Het werk van Eremet en co zal daar waarschijnlijk verandering in brengen. Misschien wel de grootste verrassing van hun doorbraak is dat er geen supergeleider bij hoge temperaturen bij betrokken is. In plaats daarvan is waterstofsulfide een gewone supergeleider van het soort dat nog nooit eerder bij temperaturen van meer dan ongeveer 40 kelvin was gezien.
Eremet en co bereikten hun truc door het materiaal te persen tot het soort druk dat alleen in het centrum van de aarde bestaat. Tegelijkertijd zijn ze erin geslaagd bewijs te vinden voor alle belangrijke kenmerken van supergeleiding.
Terwijl al dit experimentele werk aan de gang is, hebben theoretici hun hoofd gebroken over hoe ze het moeten uitleggen. Veel natuurkundigen waren van mening dat er een theoretische reden was waarom conventionele supergeleiders niet boven de 40 kelvin kunnen werken. Maar eigenlijk is er niets in de theorie dat supergeleiding bij hogere temperaturen verhindert.
Inderdaad, in de jaren zestig voorspelde de Britse natuurkundige Neil Ashcroft dat waterstof zou moeten kunnen supergeleiden bij hoge temperaturen en drukken, misschien zelfs bij kamertemperatuur. Zijn idee was dat waterstof zo licht is dat het een rooster zou moeten vormen dat in staat is om met zeer hoge frequenties te trillen en dus supergeleidend te zijn bij hoge temperaturen en drukken.
De ontdekking van Eremet en co lijkt een bevestiging van dit idee te zijn. Of in ieder geval zoiets. Er zijn talloze theoretische plooien die gladgestreken moeten worden voordat natuurkundigen kunnen zeggen dat ze een goed begrip hebben van wat er aan de hand is. Dit theoretische werk is aan de gang.
Nu is de race begonnen om andere supergeleiders te vinden die bij nog hogere temperaturen werken. Een veelbelovende kandidaat is H3S (in tegenstelling tot H2S waar Eremet aanvankelijk aan werkte).
En natuurlijk beginnen natuurkundigen na te denken over toepassingen. Er zijn talloze uitdagingen bij het exploiteren van dit materiaal, niet in de laatste plaats omdat het in supergeleidende vorm alleen in kleine monsters in hogedrukaambeelden voorkomt.
Maar dat weerhoudt mensen er niet van om te speculeren. Deze ontdekking is niet alleen relevant in de materiaalwetenschap en gecondenseerde materie, maar ook op andere gebieden, variërend van kwantumcomputers tot kwantumfysica van levende materie, zeggen Bianconi en Jarlborg. Ze maken ook het tot nadenken stemmende punt dat deze supergeleider werkt bij een temperatuur die 19 graden hoger is dan de koudste temperatuur die ooit op aarde is gemeten.
Dat maakt dit een spannend veld om in te zijn en een waar we de komende maanden en jaren waarschijnlijk nog veel meer over zullen horen.
Referentie: arxiv.org/abs/1510.05264 : Supergeleiding boven de laagste aardtemperatuur in zwavelhydride onder druk