Krijgt supergeleiding niet meer de aandacht van tien jaar geleden, toch wordt naarstig verdergewerkt. Dit jaar zorgden Belgische wetenschappers voor een doorbraak. Gustaaf Van Tendeloo en Jean-Pierre Locquet.

Tien jaar geleden deed de wetenschap wild over de onbegrensde mogelijkheden van supergeleiding: het verschijnsel dat bepaalde materialen vanaf een zekere (lage) temperatuur alle elektrische weerstand verliezen en dus ideale stroomgeleiders worden. Droombeelden van schaatsers die boven het ijs zweefden en treinen die zonder remming over het spoor gleden, reisden de wereld rond. Maar voorlopig zweven er alleen kleine blokjes in experimentele omstandigheden. En onlangs crashte de eerste supergeleidende trein van de Japanners – de Maglev, van magnetic levitation, die vijfhonderd kilometer per uur kan halen – bij een test. Hij zal nog minstens vijf jaar op stal moeten blijven.

Het concept dat metalen rond het absolute nulpunt (nul graad Kelvin of minus 273 graad Celsius) hun weerstand verliezen, was al bekend uit het begin van de eeuw door de ontdekkingen van de Nederlandse natuurkundige Kamerlingh Onnes. Die kreeg er in 1913 een Nobelprijs voor. Niemand, zelfs Albert Einstein niet, kon een aannemelijke verklaring voor zijn resultaten bedenken.

In 1956 ontdekte de Amerikaan Leon Cooper dat elektronen, die elkaar als gevolg van hun negatieve lading gewoonlijk afstoten, in speciale gevallen paartjes kunnen vormen: “Cooper-paartjes”. Het zijn deze paartjes die de superstroom in een supergeleider dragen. Ook Cooper ontving een Nobelprijs, in 1972.

Halfweg de jaren tachtig volgde er een nieuwe doorbraak. Georg Bednorz en Alex Müller ontdekten in de IBM-laboratoria van Zwitserland dat een keramisch materiaal op basis van barium, lantanium, koper en zuurstof supergeleidend werd bij 30 graad Kelvin, dus een stuk hoger dan wat toen bekend was. Een paar jaar later werd hun werk met een Nobelprijs beloond. Nog in de loop van de jaren tachtig werden materialen gemaakt die supergeleidend waren bij temperaturen tot 125 graad Kelvin: een grote sprong voorwaarts. De complexe kristalstructuren van deze keramieken laten toe dat de stroomdragers zich snel tussen de diverse vlakken van het materiaal kunnen verplaatsen.

Ondertussen werd het stiller rond supergeleiding, maar het onderzoek loopt verder. Dit jaar publiceerde de Vlaming Jean-Pierre Locquet, die in de Zwitserse laboratoria al jaren met onderzoek naar supergeleiding bezig is, in het wetenschappelijke topvakblad Nature resultaten die de toekomst van de supergeleiding kunnen beïnvloeden. Met enkele collega’s van de universiteiten van Bern en Neuchatel was hij erin geslaagd voor de eerste keer een dunne film van supergeleidend materiaal te maken, die supergeleidend bleef bij hogere temperaturen dan die van het ruwe basismateriaal.

Locquet wendde zich ook tot Gustaaf Van Tendeloo van de Universiteit Antwerpen. Die beschikt in zijn laboratorium over impressionant krachtige, elektronenmicroscopen voor materiaalonderzoek. De twee konden zich een beeld vormen van wat er gebeurt in het materiaal dat ze bestuderen: belangrijk om inzicht te krijgen in het mechanisme van de supergeleiding bij hogere temperaturen. Want voorlopig weet niemand wat er in de keramieken gebeurt. Het is alleen duidelijk dat het om een aangepast, of zelfs een ander, proces gaat dan dat wat de “klassieke” koude supergeleiding voorspelt. De onderzoeksgroep die dit speciale proces ontrafelt, ziet de volgende Nobelprijs al wenken.

Gustaaf Van Tendeloo: Wetenschappers wisten tien jaar geleden al dat sommigen zich begoochelingen maakten inzake macroscopische toepassingen – zoals zwevende treinen en schaatsen. Maar op microscopische schaal boekten we zeer grote vooruitgang. En dat vooral door de recente ontwikkeling van supergeleidende dunne filmen. De jongste vijf jaar ontdekten we niet veel nieuwe supergeleidende materialen meer, maar we vorderden wel in het optimaliseren van het gebruik van wat we hebben.

Jullie hebben in dunne film de recordhouder inzake temperatuur voor supergeleiding geproduceerd?

Jean-Pierre Locquet: Inderdaad. Wij bereikten in onze film een kritische temperatuur voor supergeleiding van 49 graad Kelvin – dat was een verdubbeling ten opzichte van het materiaal in bulk. Het succes vloeide voort uit de omstandigheden waaronder we onze film lieten groeien. We legden een dunne laag van ons supergeleidend materiaal op een substraat. Bij de juiste oriëntatie van de laag en in een welbepaalde kristallijne vorm met de juiste pressie forceerden we de atomen uit de supergeleidende laag om zich wat dichter tegen elkaar te plaatsen. De druk verkleinde de afstand tussen de koper- en de zuurstofatomen in de laag, waardoor de kritische temperatuur voor supergeleiding steeg. Door de manier waarop we de kristallen lieten groeien, verplichtten we ze als het ware om zichzelf onder druk te zetten.

Hoe vertaalt zich dat in supergeleiding bij hoge temperatuur?

Locquet: Wie die vraag beantwoordt, is rijp voor een Nobelprijs. Er is nog geen eenduidige theorie voor een mechanisme. In supergeleidende materialen zitten de koperatomen in een piramide waarvan de hoekpunten zuurstofatomen zijn. Tot nu toe gingen we ervan uit dat de afstand tussen de koper- en zuurstofatomen in het vlak van de piramide de bepalende factor was: als die afstand verkleinde, ging de kritische temperatuur omhoog. Maar wij denken nu dat de cruciale factor de afstand is tussen het koperatoom en het zuurstofatoom dat op het dak van de piramide zit. Met die afstand spelen, is spelen met de kritische temperatuur. Onder bepaalde condities kan de druk die we uitoefenen in dunne filmen, deze afstand vergroten en zo de kritische temperatuur doen stijgen.

Wat is de logica daarachter?

Van Tendeloo: Supergeleiders behoren allemaal tot een familie van materialen, waarbij de inbreng van vreemde atomen de kritische temperatuur bepaalt: zo’n dopering verandert het gemiddeld aantal elektronen per atoom. Koper, bijvoorbeeld, heeft twee vrije elektronen. Als we daar een element met drie vrije atomen aan toevoegen, verhoogt het gemiddelde voor koper tot twee en een beetje. Zo krijgen we supergeleiding als we aan een keramiek met als basisstructuur lantanium, koper en zuurstof wat strontium toevoegen. Maar, nogmaals, wat er precies gebeurt, is een mysterie.

De vrije elektronen zorgen voor de stroomgeleiding?

Locquet: In feite zorgen in ons systeem de lege gaten – of het ontbreken van elektronen – voor de supergeleiding. Net als in sommige puzzels wordt zo’n gat opgevuld door een elektron dat verschuift, zodat er een nieuw gat ontstaat. Er is wel een optimale concentratie van het element dat men toevoegt. Wat te veel strontium in onze keramiek leidt ertoe dat de vrije gaten tegen elkaar gaan botsen, en dan verdwijnt de supergeleiding weer. Het is werkelijk essentieel om de vier elementen heel precies in de hand te houden.

Wat als jullie de nieuwe filmtechniek toepassen op de recordhouders inzake supergeleiding bij de bulkmaterialen?

Van Tendeloo: De recordhouder inzake supergeleiding ligt nu op 133 graad Kelvin – het gaat om een kwikverbinding. Wij geloven dat bepaalde bismutverbindingen supergeleidend gemaakt kunnen worden bij een temperatuur in de buurt van 180 graad Kelvin, dat is minder dan minus 100 graad Celsius. Maar tot dusver is niemand daarin geslaagd. De structuur van zo’n bismutverbinding is veel complexer dan onze keramiek van lantanium, strontium en koper. Bij bismutverbindingen varieert de afstand tussen de lagen heel sterk. Voor kwikverbindingen wordt het nog moeilijker. Die zijn bovendien giftig, zodat er amper mee gewerkt kan worden.

Locquet: Wij zijn zes jaar bezig geweest met het optimaliseren van ons systeem. Aanvankelijk probeerden we met ons substraat de filmatomen uit elkaar te trekken, maar tot onze verbazing gaf dat een verlaging van de temperatuur voor supergeleiding. We hebben nu een dertigtal pogingen gedaan met het samenduwen van atomen, maar slechts in vijf gevallen leverde dat goede resultaten op. Er is dus nog geen routineproductie. Zolang we niet precies begrijpen wat we nodig hebben om supergeleiding te maken, tasten we in het duister over hoe we verder moeten. We moeten weten welke structuren we moeten bouwen om toch een hogere kritische temperatuur te krijgen. Het is niet denkbeeldig dat we de kwikverbinding door iets vergelijkbaars zouden kunnen vervangen, maar dan moeten we wel weten welke structurele parameters de sleutelelementen tot supergeleiding zijn.

Zullen jullie die ooit kunnen zien onder de elektronenmicroscoop?

Van Tendeloo: Tot dusver konden we de zuurstofatomen in de film niet zien, maar met het nieuwe toestel dat we sinds kort in gebruik hebben, kunnen we ook de zuurstof visualiseren. Dan zullen we de echte atoomconfiguratie aan de grens tussen film en substraat in beeld kunnen brengen, in plaats van een soort globaal gemiddelde voor de ganse film. We zijn nu in staat om uit het microscopisch beeld de afstand tussen de individuele koper- en zuurstofatomen te bepalen, met inbegrip van de lokale variatie. Zodra Jean-Pierre ons een goed staal geeft, gaan we aan de slag. We moeten zijn film dan verdunnen tot een dikte van ongeveer tien nanometer: dat is een duizendste van een sigarettenblaadje. Als alles dàn goed zit, hebben we het tipje van de sluier weer wat verder opgelicht.

Verschaft Antwerpen met zijn elektronenmicroscopen een soort van dienstverlening?

Locquet: Nee, het is echt een intense wetenschappelijke samenwerking. De Antwerpse elektronenmicroscopie is wereldvermaard – zelfs onze machines bij IBM kunnen er niet tegenop. Wij van onze kant hebben de kennis om gesofistikeerde preparaten te maken.

Van Tendeloo: Wij werken nog met andere instanties samen inzake onderzoek van magnetisme, halfgeleiders en diamanten. We verbeteren onze apparaten ook voortdurend. De tijd van de klassieke wolframdraad als elektronenbron is voorbij. We gebruiken nu ionenbronnen met een heel hoge intensiteit en een heel sterke coherentie. Ook de opnames van de beelden die we maken, zijn veel gevoeliger geworden. Enkele jaren geleden ontwikkelde mijn collega Dirk Van Dijck met de elektronicareus Philips een nieuw concept voor elektronenmicroscopie, dat we zelf niet konden realiseren, omdat het te duur was. Maar Philips bouwde een prototype van zowat vijftig miljoen frank, dat wij – binnen een Euram-Brite project – in ruil kregen voor onze knowhow.

Verwacht IBM iets concreets van supergeleiding?

Locquet: Supergeleiding blijft een onderwerp voor fundamenteel onderzoek. IBM denkt nog niet aan praktische toepassingen. Momenteel zou het niet mogelijk zijn om onze dunne film in een commercieel product te steken. Maar we kunnen het ons niet veroorloven helemaal met het onderzoek te stoppen. Als elders iemand ineens een grote doorbraak zou realiseren, zoals de ontdekking van een materiaal dat supergeleidend is bij kamertemperatuur, zouden we alles helemaal opnieuw moeten opbouwen. Het is dus beter deze discipline te blijven volgen.

Zijn er elders al praktische toepassingen?

Van Tendeloo: De klassieke supergeleiding bij heel lage temperaturen heeft veel toepassingen, zoals de magneten die in deeltjesversnellers de rondvliegende bundels in hun baan houden. Maar daar zijn enorme koelinstallaties voor nodig die veel energie vragen. De toepassing van supergeleiders bij hogere temperaturen verloopt traag, omdat de keramieken veel gemakkelijker breken dan, bijvoorbeeld, klassieke elektriciteitsdraden. Als alle kabels van de kerncentrale van Doel naar Brussel door supergeleiders vervangen zouden worden, zou de tien procent energie die nu onderweg verloren gaat, bespaard worden. Maar supergeleidende kabels kunnen niet hangen, want ze breken. Ze zouden ondergronds gelegd moeten worden. Daarvoor moet België op zijn kop worden gezet.

Er zijn wel toepassingen op microscopisch vlak. De squids, bijvoorbeeld: superconducting quantum interference devices. Dat zijn heel kleine dingetjes die gemaakt worden om magnetische velden te meten. Als iemand zit na te denken of te dromen, kan dat gemeten worden door het magnetisch veld te registreren, dat gekoppeld is aan de activiteit van de hersenen. Zo’n veld is heel zwak, maar een squid meet een magneetveld dat 10^{-11 keer zwakker is dan het magneetveld van de aarde. Ook voor geologische proefboringen worden squids gebruikt. Ze registreren de geringste variatie in het magneetveld, die kan aantonen dat er ergens gas of olie in de bodem zit.}

Locquet: Als we met onze dunne films uiteindelijk supergeleiding zullen bereiken bij temperaturen hoger dan 200 graad Kelvin, zullen squids veel algemener bruikbaar worden, omdat ze niet langer gekoppeld zullen zijn aan zware koelinstallaties maar elektrisch gekoeld kunnen worden. Dan zullen er meer toepassingen mogelijk zijn, en zal er meer supergeleidend materiaal op de markt komen.

Zoals?

Locquet: Als de temperatuur voor supergeleiding nog zal stijgen, zal een squid zo mobiel worden dat hij gemakkelijk in de praktijk van een huisarts aanwezig kan zijn. Recent onderzoek heeft, bijvoorbeeld, uitgewezen dat uit de magnetische patronen van het hart parameters af te leiden zijn die een hartstilstand kunnen voorspellen.

Van Tendeloo: Er zullen ook grote mogelijkheden komen voor supergeleidende computers. Die zijn nu gekoppeld aan enorme koelapparaten en dus niet mobiel. Het verschil met klassieke computers is dat de schakelsnelheid bij supergeleiding veel hoger ligt, zodat ze veel sneller kunnen werken.

Locquet: De connecties tussen schakelaars in chips worden nu standaard met aluminiumdraadjes gemaakt. IBM slaagde er onlangs in de geleidbaarheid met dertig procent te verhogen door de verbindingen met koperdraadjes te maken. Er gaat dus minder energie verloren. Het kostte wel twintig jaar om dat te realiseren. Als de verbindingen met supergeleidende draden gemaakt zouden worden, zou dat opnieuw een grote sprong voorwaarts zijn.

Van Tendeloo: Alles gaat kleiner worden. Binnen enkele decennia zitten we niet langer met een micro-elektronica, maar met een nano-elektronica, die duizend keer kleiner is. Er zullen transistoren komen die bestaan uit één atoom. Momenteel bestaan er microscopen en sondes waarmee men als het ware voetbal kan spelen met een atoom. We zullen over koolstofbuisjes beschikken, waardoor we supergeleidende draadjes kunnen laten lopen, die geen warmteverlies meer veroorzaken. Er zal door elk onderdeel zoveel stroom kunnen lopen als gewenst zonder dat de boel dreigt te smelten.

Mensen stellen zich nu ethische vragen over het klonen. Maar blijkbaar stelt niemand zich vragen over het feit dat we op het punt staan volstrekt nieuwe atoomconfiguraties en moleculen te maken. We kunnen nu op atomair vlak om het even wat doen: een atoom door een ander vervangen en kijken wat er gebeurt. Nieuwe materialen maken, atoom per atoom. Dat is zo grensverleggend dat ook daar grondig over moet worden nagedacht.

Binnen afzienbare tijd zullen er nanorobots geconstrueerd worden, die zichzelf “vermenigvuldigen” en die, bijvoorbeeld, virussen te lijf zouden kunnen gaan. Dat zou baanbrekend zijn in de geneeskunde. Daartegenover is het niet uitgesloten dat die robots een eigen leven gaan leiden. We moeten dus goed weten wat we willen en wat we kunnen, voor we zulke drastische stappen in de wereld van het hele kleine zetten.

Dirk Draulans