Cooperpaar: het elektronenkoppel achter supergeleiding

Bijgewerkt: 23 augustus 2026 · 6 min leestijd

Een cooperpaar is een koppel van twee elektronen dat zich, tegen alle verwachting in, gedraagt als één samenhangend geheel binnen een supergeleidend materiaal. Elektronen stoten elkaar normaal gesproken af, omdat ze allebei negatief geladen zijn. Toch kunnen ze bij zeer lage temperaturen via een omweg een soort onzichtbare band met elkaar aangaan. Dat klinkt vreemd, maar het is precies dit verschijnsel dat verklaart waarom bepaalde materialen stroom kunnen geleiden zonder enige weerstand: supergeleiding.

Vergelijk het met twee mensen die op een strak gespannen trampoline lopen. De eerste persoon drukt een deukje in het oppervlak; de tweede persoon, die vlak daarna over diezelfde plek loopt, rolt automatisch een stukje in de richting van dat deukje. Zonder dat ze elkaar aanraken of zelfs maar van elkaars bestaan afweten, beïnvloeden ze elkaars beweging via de trampoline. In een supergeleider spelen atomen in het kristalrooster de rol van die trampoline: het eerste elektron vervormt het rooster heel even, en een tweede elektron voelt die vervorming en wordt er licht door aangetrokken. Zo ontstaat een zwakke, indirecte aantrekkingskracht die de wederzijdse afstoting overwint.

Wat is het precies?

Om cooperparen te begrijpen, moet je eerst weten wat een kristalrooster is: de regelmatige, herhalende rangschikking van atomen waaruit een vaste stof, zoals metaal, is opgebouwd. In een normale geleider, zoals koperdraad, botsen bewegende elektronen voortdurend tegen trillingen en onzuiverheden in dat rooster. Die botsingen veroorzaken elektrische weerstand, wat energie verspilt in de vorm van warmte.

In 1957 beschreven de natuurkundigen John Bardeen, Leon Cooper en John Robert Schrieffer een mechanisme dat dit probleem omzeilt. Hun theorie, later de BCS-theorie genoemd naar hun achternamen, stelt dat een elektron dat door het rooster beweegt de positief geladen atoomkernen even naar zich toe trekt. Dat veroorzaakt een minieme, tijdelijke concentratie van positieve lading op die plek. Een tweede elektron, dat kort daarna langskomt, wordt door die concentratie aangetrokken. Het resultaat is een zwakke, indirecte binding tussen de twee elektronen: het cooperpaar.

Deze indirecte aantrekking via roostertrillingen heet in vaktermen elektron-fonon-koppeling. Een fonon is de kleinst mogelijke eenheid van een trilling in het kristalrooster, te vergelijken met een geluidsgolf op de kleinst denkbare schaal. Het cooperpaar als geheel gedraagt zich anders dan een los elektron. Losse elektronen zijn zogeheten fermionen, deeltjes die zich aan de regel houden dat er nooit twee identieke exemplaren in exact dezelfde toestand kunnen zitten. Een cooperpaar gedraagt zich echter als een boson, een deeltjestype waarvoor die regel niet geldt. Daardoor kunnen enorme aantallen cooperparen tegelijk in dezelfde, laagst mogelijke energietoestand zakken en samen bewegen als één golf, zonder verstrooiing en dus zonder weerstand.

Deze gezamenlijke, ongestoorde beweging is alleen mogelijk zolang de temperatuur laag genoeg blijft. Warmte betekent willekeurige trillingsenergie, en boven een bepaalde kritieke temperatuur wordt die trillingsenergie te groot: de cooperparen breken uiteen en het materiaal wordt weer een gewone, weerstandbiedende geleider.

Wat wil men ermee bereiken?

Het achterliggende doel is stroom transporteren en magneetvelden opwekken zonder energieverlies. In gewone elektriciteitskabels gaat een deel van de energie verloren als warmte door weerstand; bij supergeleiding valt dat verlies vrijwel volledig weg. Dat maakt onder meer extreem sterke, compacte elektromagneten mogelijk, wat weer de basis vormt voor scanners, deeltjesversnellers en toekomstige energietoepassingen.

Een tweede, actueel doel is de bouw van kwantumcomputers. Bepaalde bouwstenen voor kwantumbits, de basiseenheden van informatie in een kwantumcomputer, maken gebruik van supergeleidende circuits waarin cooperparen een rol spelen. De manier waarop cooperparen zich collectief gedragen, biedt een stabiele basis om kwantumtoestanden te creëren en te manipuleren.

Een derde, langlopende ambitie is het vinden of maken van materialen die al bij kamertemperatuur supergeleidend zijn. Vrijwel alle bekende supergeleiders moeten worden gekoeld tot temperaturen ver onder het vriespunt, vaak met vloeibaar helium of stikstof. Dat koelen is duur en technisch omslachtig. Een supergeleider die bij normale temperaturen en drukken werkt, zou elektriciteitsnetten, transport en elektronica ingrijpend kunnen veranderen, doordat energieverlies in bekabeling grotendeels verdwijnt.

Voorbeelden uit de praktijk

De ontdekking van supergeleiding zelf gaat terug tot 1911, toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes in Leiden ontdekte dat kwik bij 4,2 kelvin (ongeveer -269 graden Celsius) plotseling geen elektrische weerstand meer vertoonde. Dat leverde hem in 1913 de Nobelprijs voor de Natuurkunde op, al kwam de verklaring via cooperparen pas decennia later.

De BCS-theorie zelf, gepubliceerd in 1957, leverde Bardeen, Cooper en Schrieffer in 1972 de Nobelprijs voor de Natuurkunde op. Bardeen is tot op heden de enige persoon die de natuurkunde-Nobelprijs twee keer won, de eerste keer voor de uitvinding van de transistor.

Een bekende praktische toepassing zijn MRI-scanners in ziekenhuizen. Deze scanners gebruiken supergeleidende spoelen, gekoeld met vloeibaar helium, om de sterke magneetvelden op te wekken die nodig zijn voor gedetailleerde beelden van het lichaam.

Bij het CERN-onderzoekscentrum in Zwitserland maakt de Large Hadron Collider, de grootste deeltjesversneller ter wereld, gebruik van duizenden supergeleidende magneten om deeltjes op vrijwel de lichtsnelheid te brengen en te sturen.

In Japan rijdt sinds 2027 (gepland, na eerdere uitstel) de Chuo Shinkansen, een maglevtrein die zweeft en wordt voortgestuurd met supergeleidende magneten, met testsnelheden boven de 600 kilometer per uur tijdens proeven op de Yamanashi-testbaan.

Hoe ver is de techniek?

Supergeleiding op basis van cooperparen is al meer dan honderd jaar bekend en wordt sinds decennia toegepast in MRI-scanners, deeltjesversnellers en onderzoekslaboratoria. Op dat vlak is de techniek volwassen. De grote uitdaging zit in de temperatuur waarbij het werkt.

Klassieke, door BCS beschreven supergeleiders werken alleen bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt. In 1986 ontdekten Georg Bednorz en Alex Müller bij IBM in Zürich zogeheten hoge-temperatuursupergeleiders, keramische materialen die al boven de 30 kelvin supergeleidend worden. Dat leverde hen in 1987 de Nobelprijs op en luidde een nieuw onderzoeksveld in. Inmiddels zijn er materialen bekend die tot boven de 130 kelvin supergeleidend blijven, ruim boven het kookpunt van vloeibare stikstof, wat het koelen aanzienlijk goedkoper maakt.

Voor deze hoge-temperatuurmaterialen is echter nog geen volledig sluitende theorie: onderzoekers weten dat er nog steeds iets als een cooperpaar-achtige koppeling optreedt, maar het mechanisme daarachter is niet simpelweg elektron-fonon-koppeling zoals in de klassieke BCS-theorie. Dit blijft een van de grote open vragen in de vastestoffysica.

De zoektocht naar kamertemperatuur-supergeleiding kende de afgelopen jaren enkele spraakmakende, maar uiteindelijk niet houdbare claims. Een onderzoeksgroep rond Ranga Dias claimde in 2023 in het tijdschrift Nature een supergeleider die bij kamertemperatuur werkte onder hoge druk; het artikel werd na kritiek en beschuldigingen van datamanipulatie ingetrokken. Ook de Zuid-Koreaanse claim rond het materiaal LK-99, eveneens in 2023, kon door onafhankelijke laboratoria niet worden bevestigd. Dit soort episodes onderstreept dat beweringen op dit gebied extra kritisch getoetst moeten worden voordat ze als doorbraak gelden.

Wie werken eraan?

Op het gebied van fundamenteel onderzoek naar supergeleiding en cooperparen zijn universiteiten wereldwijd actief, waaronder de Universiteit Leiden (met een historische band via Kamerlingh Onnes), Princeton University, de University of Cambridge en de Max Planck-instituten in Duitsland.

IBM Research in Zürich blijft, sinds de ontdekking van hoge-temperatuursupergeleiding in 1986, een belangrijke speler in materiaalonderzoek. Daarnaast investeren techbedrijven als IBM, Google en Rigetti Computing in supergeleidende kwantumchips die gebruikmaken van cooperpaar-gebaseerde circuits (zogeheten Josephson-juncties) voor kwantumcomputing.

Op het gebied van toepassingen werkt CERN aan supergeleidende magneten voor deeltjesversnellers, terwijl in Japan het spoorwegbedrijf JR Central de maglevtechnologie voor de Chuo Shinkansen ontwikkelt. In de Verenigde Staten financiert het Department of Energy via nationale laboratoria zoals Lawrence Berkeley National Laboratory onderzoek naar nieuwe supergeleidende materialen, mede met het oog op efficiëntere elektriciteitsnetten.

China investeert eveneens fors in supergeleidende technologie, onder meer voor toepassingen in energienetten en experimentele maglevtreinen, terwijl Europese samenwerkingsverbanden binnen het Horizon-programma van de Europese Unie onderzoek naar hoge-temperatuursupergeleiders financieren.