Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Hoe metalen hun weerstand verliezen

Het gedrag van deeltjes in hoge-temperatuur supergeleiders is mogelijk beter te verklaren met de snaartheorie dan met de kwantumtheorie. Fysicus Jan Zaanen stelt dit in een artikel in Nature.

Zoeven door de stof

Hoe kan het dat sommige metalen beneden een zekere temperatuur al hun elektrische weerstand verliezen? Jan Zaanen, hoogleraar theoretische fysica aan de Universiteit Leiden, onderzoekt dit fenomeen, supergeleiding geheten. Als er stroom door een metalen draad gaat, betekent dit dat er elektronen door het metaal bewegen. Elektronen zijn negatief geladen deeltjes die in alle atomen voorkomen. Normaliter moeten deze deeltjes weerstand overwinnen om te kunnen bewegen, wat energie kost. Daardoor wordt een snoer waar veel stroom doorheen gaat warm. Bij supergeleiding verliest een metaal al zijn weerstand en kunnen de elektronen moeiteloos door het materiaal zoeven. Tot 1986 dacht men dat supergeleiding alleen voorkomt bij temperaturen onder de 30 Kelvin (-243 graden Celsius). Het was dan ook een enorme verrassing toen in 1986 bleek dat verbindingen van koperoxides met sommige exotische metalen (lanthaan, barium, yttrium) bij hogere temperaturen, namelijk tot wel 165 Kelvin, supergeleidend blijven.

Foto: Als hoge-temperatuurgeleiders tot in detail verklaard kunnen worden, zou je wellicht zonder energieverlies elektriciteit over duizenden kilometers kunnen transporteren. Bij wijze van spreken van zonnecellen in de Sahara naar Noord-Europa.

Kwantumtheorie werkt niet meer

Er bestaat een theorie die keurig verklaart hoe individuele elektronen in een metaal onder een zekere temperatuurgrens paren vormen’, aldus Zaanen. Volgens deze kwantumtheorie zijn ‘gepaarde’ elektronen een nieuw soort deeltjes, waardoor ze ongehinderd door het metaal bewegen. Maar dat mechanisme werkt niet meer in hoge-temperatuur supergeleiders. Zaanen: ‘Dan is er geen notie meer van individuele deeltjes, dit is collectief gedrag van grote aantallen elektronen dat met de gewone kwantumtheorie niet meer uit te rekenen is. Eigenlijk ligt de bal op dit moment bij de theoretici. Zij moeten met nieuwe wiskunde komen.’ Zaanen behandelt in vogelvlucht recente ontwikkelingen, wat uitmondt in de consensus dat een theorie ontbreekt die het allemaal werkelijk verklaart. Hij hoopt op hulp uit onverwachte hoek — de snaartheorie, de beoogde ‘theorie van alles’ die alle deeltjes en krachten in de natuur in één consistent model onder moet brengen.

De maximale temperatuur waarbij nog supergeleiding voorkomt is in de loop der tijd flink omhoog gegaan, maar stagneert nu al twintig jaar. Nieuwe theorie kan de weg wijzen naar nog betere supergeleiders. Illustratie: Nature

Elektriciteit duizenden kilometers transporteren

Zaanen en zijn collega’s vestigen hun hoop op de zogeheten AdS/CFT-correspondence. Dit is een wiskundige techniek die voortkomt uit de snaartheorie. Als het met deze techniek lukt om hoge-temperatuur supergeleiders tot in detail te verklaren, wordt het misschien mogelijk om materialen te ontwerpen die bij nog hogere temperatuur supergeleidend blijven. Dat zou pure winst zijn, want dan is minder energie slurpende koeling nodig voor, bijvoorbeeld, de zeer sterke elektromagneten in MRI-scans. De ultieme droom is een materiaal dat bij onze omgevingstemperatuur supergeleidend is, want dan zou je zonder energieverlies elektriciteit over duizenden kilometers kunnen transporteren, bij wijze van spreken van zonnecellen in de Sahara naar Noord-Europa. Maar de vraag is of dat in principe fysisch mogelijk is.

Revolutie in de maak

Zaanen was een van de eersten die in 2007 deze nieuwe wiskunde toepasten in de vastestof-fysica, maar zoals ook uit de review blijkt, raken steeds meer vastestof-fysici overtuigd dat het legitiem is om de snaartheorie en hoge-temperatuur supergeleiders met elkaar in verband te brengen. Zaanen: ‘Ik denk dat er een revolutie in de maak is.’