Veel hoger dan 196°C bij atmosferische druk (kookpunt stikstof) zijn de ‘hoge’temperatuursupergeleiders niet gekomen, wel bij (extreem) hoge druk (afb: WikiMedia Commons)

Al zeker zo’n veertig jaar sedert de ontdekking van supergeleiders die een werkten bij ‘hoge’ temperaturen door  Alex Müller en Georg Bednorz wordt gezegd dat de supergeleiding bij kamertempera-tuur in de lijn der verwachtingen ligt. Veel verder dan -196°C (77 K) bij normale druk zijn ze niet gekomen. Nu zeggen onderzoekers van de universiteit van Pennsylvania een methode ontwikkeld te hebben die van materialen kan voorspellen of ze die eigenschappen zullen vertonen.
Hun model slaat een brug tussen de klassieke supergeleidingstheorie en de kwantummechanica via de zogeheten zentropietheorie een term die Zen combineert met entropie (maat voor chaos; as) die bij mij meteen de wenkbrauwen doet fronsen.Wanneer elektriciteit door draden stroomt, gaat er onderweg energie verloren. Dat verlies is echter mogelijk niet onvermijdelijk. Onderzoekers zeggen nu een nieuwe manier ontwikkeld om materialen te identificeren die supergeleidend (weerstandsloos) zouden zijn. Dat scheelt een hoop energieverlies, maar lijkt vooralsnog voorbestemd voor ‘sjiekere’ toepassingen uit de kwantummechanica e.d.

Ondanks hun belofte kunnen de meeste supergeleidende materialen nog niet worden gebruikt in de dagelijkse technologie. Hun buitengewone vermogen om elektriciteit te geleiden manifesteert zich alleen bij extreem lage temperaturen in de buurt van het absolute nulpunt (0 K), ver onder wat praktisch is voor energiesystemen of elektronica. De onderzoekers ontwikkelden een ​​nieuwe aanpak om te voorspellen welke materialen supergeleiding zouden kunnen vertonen.
Bestaande theorieën werden lange tijd alleen als accuraat beschouwd voor lagetemperatuursupergeleiders, legde hoofdauteur Zi-Kui Liu uit, hoogleraar materiaalkunde. “Het doel is altijd geweest om de temperatuur te verhogen waarbij supergeleiding voorkomt, maar eerst moeten we precies begrijpen hoe supergeleiding ontstaat en daar komt ons werk te pas.”

Wetenschappers vertrouwen al tientallen jaren op de Bardeen-Cooper-Schrieffer-theorie om te beschrijven hoe conventionele supergeleiders functioneren bij extreem lage temperaturen. Volgens deze theorie bewegen elektronen zonder weerstand dankzij interacties met trillingen in het atoomrooster, fononen genaamd. Deze interacties zorgen ervoor dat elektronen paren vormen, zogenaamde Cooperparen, die synchroon door het materiaal bewegen, waardoor atomaire botsingen worden vermeden en energieverlies in de vorm van warmte wordt voorkomen.
Liu: “Stel je een supersnelweg voor, speciaal voor elektronen. Als er te veel routes zijn, botsen elektronen tegen dingen aan en verliezen ze energie, maar als je een rechte tunnel voor ze aanlegt, zoals de Duitse Autobahn, kunnen ze zich snel en vrij bewegen zonder weerstand.”
Dit vermogen om energie zonder weerstand over te brengen, maakt supergeleiders zo veelbelovend. Als wetenschappers materialen kunnen ontwikkelen die supergeleidend blijven bij hogere temperaturen, zou elektriciteit verder, sneller en efficiënter kunnen reizen, wat wat veel energie zou besparen.

Dichtheidsfunctionaaltheorie

Om dit fenomeen te begrijpen maakten de onderzoekers gebruik een informatisch hulpmiddel dat bekend staat ​​als dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT). DFT helpt bij het modelleren van hoe elektronen zich gedragen in gewone geleiders in vergelijking met supergeleiders. Ze veronderstelden dat, hoewel DFT Cooperparen niet direct modelleert, de elektronendichtheid die het voorspelt, vergelijkbaar zou moeten zijn met die van gepaarde elektronen, waardoor onderzoekers potentieel supergeleidend gedrag zouden kunnen bestuderen.
Tot voor kort werden de BCS-theorie en DFT – de ene beschrijft elektronenparing, de andere is geworteld in de kwantummechanica – afzonderlijk behandeld. Liu’s team vond een manier om deze werelden met elkaar te verbinden en creëerde zo een nieuwe manier om supergeleiding te voorspellen.
Ze noemden hun vinding de zentropietheorie. Deze aanpak combineert principes uit de statistische mechanica, die het collectieve gedrag van vele deeltjes bestudeert, met kwantumfysica en moderne computationele modellering. De zentropietheorie koppelt de elektronische structuur van een materiaal aan hoe de eigenschappen ervan veranderen met de temperatuur en laat zien wanneer die overgaat van een supergeleidende naar een niet-supergeleidende toestand. Om de theorie toe te passen, moeten wetenschappers begrijpen hoe een materiaal zich gedraagt ​​bij het absolute nulpunt, de koudst mogelijke temperatuur, waar alle atomaire beweging stopt. Dit werk zou hebben aangetoond dat DFT, hoewel oorspronkelijk niet bedoeld om supergeleiders te bestuderen, belangrijke inzichten kan bieden in wanneer en hoe supergeleiding optreedt.

Voorspellen

Liu stelt dat de nieuwe methode wetenschappers in staat stelt te voorspellen of een materiaal supergeleidend kan worden. De zentropietheorie kan vervolgens de kritische temperatuur schatten waarbij het materiaal die eigenschap verliest.
De klassieke BCS-theorie verklaart met succes supergeleiders die alleen bij zeer lage temperaturen werken, maar faalt voor varianten bij hogere temperaturen, waarbij Cooperparen gemakkelijker uit elkaar vallen. Door middel van DFT-modellering ontdekte Liu’s groep dat in hogetemperatuursupergeleiders de elektronensnelweg stabiel blijft dankzij een unieke atomaire structuur, vergelijkbaar met een pontonbrug die meebeweegt met golven, waardoor elektronen soepel kunnen bewegen, zelfs bij toenemende thermische trillingen.

Met behulp van deze gecombineerde aanpak voorspelden de onderzoekers met succes supergeleidend gedrag in zowel conventionele als hogetemperatuurmaterialen, waaronder een materiaal dat de traditionele theorie niet kon verklaren. Zo voorspelde het systeem ook potentiële supergeleiding in koper, zilver en goud, metalen die doorgaans niet als supergeleiders worden beschouwd, waarschijnlijk omdat ze extreem lage temperaturen nodig zouden hebben om het effect te laten optreden. Deze bevindingen zouden de ontdekking van nieuwe materialen die als supergeleider werken bij hogere, praktischer temperaturen, kunnen versnellen.

De onderzoekers zijn nu van plan hun werk uit te breiden. Ten eerste zullen ze de zentropietheorie gebruiken om te voorspellen hoe druk de temperatuur beïnvloedt waarbij supergeleiders hun weerstand verliezen. Ten tweede zullen ze een enorme databank van vijfmiljoen materialen doorzoeken om nieuwe kandidaten te identificeren die supergeleiding zouden kunnen vertonen. Het doel is om de meestbelovende materialen te vinden en samen te werken met experimentele onderzoekers om deze te testen.

Bron: Science Daily