De Speedster-techniek die de limieten van supergeleiders doorbreekt

Oké, ik moet je iets vertellen dat echt fascinerend is in de wereld van de natuurkunde, en ik beloof dat ik het begrijpelijk maak, zelfs als je in de scheikundeles niet hebt opgelet.

Supergeleiders zijn in feite de rocksterren van de materiaalkunde. Wanneer je bepaalde materialen afkoelt tot ongelooflijk lage temperaturen (we hebben het over kouder dan de kou van de ruimte), gebeurt er iets magisch: de elektrische weerstand daalt naar letterlijk nul. Nul! Dat betekent dat elektriciteit er voor eeuwig doorheen kan stromen zonder enige energie te verliezen. Geen hitte, geen verspilling, alleen een pure, perfecte stroom.

Normaal gesproken zijn elektronen als ongeduldige bestuurders die proberen door een drukke snelweg te wurmen. Ze botsen tegen atomen, verliezen energie, genereren hitte en veroorzaken over het algemeen verkeersopstoppingen. Maar in supergeleiders vormen elektronen paren, de zogenaamde Cooper-paren, en beginnen ze synchroon te bewegen — bijna als een perfect choreografische dansgroep in plaats van chaotische individuele dansers.

Hier is het probleem

Deze supergeleiders hebben echter een zwakte. Er is een limiet aan hoeveel elektrische stroom ze kunnen verwerken voordat de boel ontspoort. Wetenschappers noemen dit de "kritische stroom" — denk eraan als de maximale werkbelasting van het materiaal voordat het in de problemen komt.

In de meeste gevallen falen supergeleiders niet door een fundamentele fysieke limiet. Ze falen door iets dat vortices (wervels) wordt genoemd — minuscule gebieden waar magnetische velden door het materiaal heen glippen. Wanneer je te veel stroom door het materiaal stuwt, beginnen deze vortices rond te bewegen, wat wrijving en hitte veroorzaakt, totdat uiteindelijk het hele systeem instort.

Het is alsof je een perfect glad ijsbaan hebt, behalve dat iemand een heleboel plakkerige vlekken heeft verspreid die je vertragen wanneer je te snel beweegt.

De slimme oplossing

Nu wordt het interessant (en ik bedoel dit letterlijk).

Een team aan het Max Planck Instituut voor de Structuur en Dynamiek van Materie besloot te "valsspelen". In plaats van langzaam stroom door de supergeleider te duwen, schoten ze er ongelooflijk korte stoten elektriciteit in — we hebben het over picoseconden. Een picoseconde is één biljoenste van een seconde. Ter referentie: een knipper van het oog bevat ongeveer 30 biljoen picoseconden.

De logica? Vortices kunnen maar een bepaalde snelheid bereiken (tientallen kilometers per seconde), en in een picoseconde bewegen ze nauwelijks — we hebben het over afstanden van slechts nanometers. Door de elektrische puls in zo'n minuscuul tijdsbestek te geven, konden de onderzoekers de stroom naar extreme niveaus opvoeren voordat de vortices de tijd hadden om problemen te veroorzaken.

Eryin Wang, de hoofdauteur, beschrijft het perfect: "Onze strategie was om de vortex-dynamiek voor te blijven."

Het is alsof je zo snel door een mijnenveld kunt sprinten dat de mijnen geen tijd hebben om te ontploffen. Je loopt technisch gezien nog steeds door dezelfde gevaarlijke ruimte, maar je geeft de obstakels simpelweg geen kans om te activeren.

Twee materialen, twee totaal verschillende persoonlijkheden

De onderzoekers testten twee verschillende supergeleiders om te zien hoe ze zouden reageren op deze "speed-demon"-aanpak: NbN en YBCO.

NbN gedroeg zich als iemand met een heel duidelijk breekpunt. Het bleef supergeleidend tot aan een specifieke drempelwaarde — en daarna stopte het plotseling en dramatisch. De Cooper-paren versplinterden in feite allemaal tegelijk. Het was een scherpe, beslissende mislukking, zoals een touw dat uiteindelijk knapt onder te veel spanning.

YBCO daarentegen vertoonde een geleidelijke afname. De supergeleiding verzwakte progressief naarmate de stroom toenam. Dit komt doordat YBCO een complexere interne structuur heeft — de supergeleidende eigenschappen variëren afhankelijk van de richting waarin je ze meet, vergelijkbaar met hoe hout sterker is in de richting van de nerf dan er dwars op.

Waarom dit belangrijk is

Hier komt het echt vette gedeelte: door deze ultrasnelle pulsen te gebruiken, kunnen wetenschappers nu de echte fundamentele limieten van supergeleiding bereiken — wat zij de "depairing current" (ontkoppelingsstroom) noemen. Dit is het punt waarop de Cooper-paren zelf uit elkaar beginnen te vallen, en niet alleen het punt waar vortices voor problemen zorgen.

Het begrijpen hiervan kan leiden tot betere supergeleiders voor allerlei toepassingen: krachtigere MRI-scanners, snellere kwantumcomputers, efficiëntere hoogspanningslijnen en zelfs maglev-treinen die op magnetische velden zweven.

We duwen niet alleen bestaande materialen tot het uiterste — we ontdekken geheel nieuwe natuurkunde die tot nu toe net buiten bereik verborgen bleef.

En eerlijk gezegd? Dat is behoorlijk spannend.

Bron: ScienceDaily