Een supergeleider is een element of metaallegering die, wanneer afgekoeld tot onder een bepaalde drempeltemperatuur, het materiaal alle elektrische weerstand dramatisch verliest. In principe kunnen supergeleiders dit toestaan elektrische stroom om te stromen 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 supergeleidertoestand wordt aangeduid als Tc, wat staat voor kritische temperatuur. Niet alle materialen veranderen in supergeleiders en de materialen die dat wel doen hebben elk hun eigen waarde Tc.
Soorten supergeleiders
- Type I supergeleiders fungeren als geleiders bij kamertemperatuur, maar wanneer ze beneden worden gekoeld Tc, vermindert de moleculaire beweging in het materiaal voldoende zodat de stroom ongehinderd kan bewegen.
- Type 2 supergeleiders zijn niet bijzonder goede geleiders bij kamertemperatuur, de overgang naar een supergeleidertoestand verloopt geleidelijker dan type 1 supergeleiders. Het mechanisme en de fysieke basis voor deze toestandsverandering 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 gekoeld tot ongeveer 4 graden Kelvin door de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes, waarmee hij in 1913 de Nobelprijs voor natuurkunde ontving. In de jaren daarna is dit veld enorm uitgebreid en zijn er vele andere vormen van supergeleiders ontdekt, waaronder Type 2 supergeleiders in de jaren dertig.
De basistheorie van supergeleiding, BCS Theory, leverde de wetenschappers - John Bardeen, Leon Cooper en John Schrieffer - de Nobelprijs voor natuurkunde 1972 op. Een deel van de Nobelprijs voor natuurkunde van 1973 ging naar Brian Josephson, ook voor werk met supergeleiding.
In januari 1986 deden Karl Muller en Johannes Bednorz een ontdekking die een revolutie teweegbracht in de manier waarop wetenschappers over supergeleiders dachten. Voorafgaand aan dit punt was het begrip dat supergeleiding alleen tot uiting kwam wanneer het werd afgekoeld tot dichtbij absolute nulpunt, maar met behulp van een oxide van barium, lanthaan en koper, ontdekten 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 bereikt waren ongeveer 133 graden Kelvin (hoewel je tot 164 graden Kelvin zou kunnen komen als je hoge druk uitoefent). In augustus 2015 rapporteerde een artikel in het tijdschrift Nature de ontdekking van supergeleiding bij een temperatuur van 203 graden Kelvin onder 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 bundels geladen deeltjes bevatten, zijn omgeven door buizen met krachtige supergeleiders. De superstromen die door de supergeleiders stromen, wekken een intens magnetisch veld op elektromagnetische inductie, die kan worden gebruikt om het team naar wens te versnellen en te sturen.
Bovendien vertonen supergeleiders de Meissner-effect waarin ze alle magnetische flux in het materiaal opheffen en perfect diamagnetisch worden (ontdekt in 1933). In dit geval reizen de magnetische veldlijnen eigenlijk 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 in kwantumlevitatie. Met andere woorden, als Terug naar de toekomst stijl hoverboards worden ooit een realiteit. In een minder alledaagse toepassing spelen supergeleiders een rol bij moderne ontwikkelingen in magnetische levitatietreinen, die een krachtige mogelijkheid bieden voor openbaar vervoer met hoge snelheid dat is gebaseerd op elektriciteit (dat kan zijn opgewekt met behulp van hernieuwbare energie) in tegenstelling tot niet-hernieuwbare huidige opties zoals vliegtuigen, auto's en kolen treinen.
Bewerkt door Anne Marie Helmenstine, Ph.D.