Honderd jaar supergeleiding
Heike Kamerlingh Onnes ontdekte op 8 april 1911 de supergeleiding: elektrische stroom zonder weerstand. Tegenwoordig zijn supergeleidende magneten onontbeerlijk bij fysisch en medisch toponderzoek. Fysicus Peter Kes is een van de organisatoren van een symposium ter gelegenheid van honderd jaar supergeleiding.
Mythe
De ontdekking van de supergeleiding in 1911, in het gebouw waar nu de Leidse juristen worden opgeleid, is bijna een mythe geworden in de natuurkunde. Het zou een ongelukje zijn geweest, te wijten aan een ‘blauwe jongen’ (een leerling-instrumentmaker die Kamerlingh Onnes assisteerde) die in slaap was gevallen bij een koelapparaat.
Notities ontcijferen
Peter Kes heeft er Kamerlingh Onnes’ eigen aantekeningenboekjes in Museum Boerhaave op nageslagen: ‘Het was een hele toer om zijn notities te ontcijferen. Hij begint altijd netjes, maar als ze aan het meten zijn wordt het steeds slordiger.’ Duidelijk is wel, dat Kamerlingh Onnes systematisch bezig was om de elektrische weerstand van diverse metalen bij zo laag mogelijke temperatuur te meten.
Primitief kwantummodel
‘Nagenoeg nul’ noteert deze op 8 april 1911 droogjes in zijn boekje als de weerstand in kwik bij 3,0 graden boven het absolute nulpunt (3,0 kelvin) geen meetbare waarde meer heeft. In die tijd stond de kwantumtheorie van Max Planck en Albert Einstein nog in de kinderschoenen, maar toch hanteerden de Leidse fysici al een primitief kwantummodel van een metaal dat een ‘onmeetbaar kleine’ weerstand voorspelde bij het absolute nulpunt. Volgens de klassieke fysica gaan de geleidingselektronen juist ‘vastvriezen’, zodat de weerstand niet kleiner wordt maar juist naar oneindig oploopt.
Belang niet direct gezien
Kes: ‘De conclusie was, dat de weerstand van goud ook ‘nagenoeg nul’ had moeten worden.’ Dat dit niet gebeurde, weet men aan onzuiverheden in het metaal. Niemand zag direct het belang in van de verdwijnende weerstand, omdat men niet besefte dat de weerstand letterlijk nul werd. En al had hij gewild, Onnes kon ook met kwik niets met zijn ontdekking doen, omdat kwik lastig te hanteren is, je kunt er geen spoeltje van wikkelen’.
Prof.dr. Peter Kes heeft het er maar druk mee. Op 8 april is er het symposium ‘100 Years of Superconductivity’, dat hij samen met prof.dr. Dirk van Delft organiseert. Op die dag komt ook een cameraploeg van de BBC opnamen maken voor een documentaire over de geschiedenis van de elektriciteit, waarin Leiden een belangrijke rol heeft gespeeld. En in de zomer is er een groot internationaal wetenschappelijk congres in Chicago, waar hij de Abrikosov Prize in Vortex Physics krijgt voor zijn bijdrage aan het onderzoek naar supergeleiding.
Deceptie
Kamerlingh Onnes kreeg in 1913 de Nobelprijs voor het vloeibaar maken van helium, en maakte in zijn toespraak wel melding van de supergeleiding. Hij voorzag zelfs supergeleidende magneten met een veldsterkte van 10 tesla, voor die tijd fantastisch hoog. Door een stroomdraad zonder weerstand kan je namelijk heel veel stroom sturen zonder dat die smelt, en de stroom bepaalt mede de sterkte van het magneetveld.
‘De deceptie was natuurlijk groot toen dat mislukte,’ aldus Kes. De eerste supergeleiders konden slechts zwakke magneetvelden weerstaan zonder weer een normale weerstand te krijgen. Pas veel later zijn supergeleidende materialen ontdekt die bestand zijn tegen hoge magneetvelden, waarmee veldsterktes tot boven 20 tesla haalbaar zijn.
Niet meer weg te denken
Momenteel zijn supergeleidende magneten niet meer weg te denken uit grote deeltjesversnellers, topklasse MRI-scans en extreme koelapparatuur. In Leiden gebruiken onder meer Tjerk Oosterkamp en Dirk Bouwmeester ze voor grensverleggend onderzoek. Oosterkamp wil met een naaldje op nanoschaal eiwitmoleculen letterlijk aftasten om hun structuur te ontdekken. Bouwmeester probeert de fundamenten van de kwantumtheorie bloot te leggen. Beiden gebruiken extreme magneetvelden om warmte uit hun preparaten ‘af te tappen’, zodat de temperatuur daalt tot millikelvins. Pas dan geeft de natuur veel van zijn geheimen prijs.