IJzergebaseerde supergeleiders: hoe een magnetisch metaal elektrische stroom zonder weerstand geleidt

Stel je een elektriciteitskabel voor waar stroom doorheen loopt zonder dat er ook maar een beetje energie verloren gaat aan warmte. Dat is het principe van een supergeleider: een materiaal dat, wanneer het voldoende wordt afgekoeld, alle elektrische weerstand verliest. Een ijzergebaseerde supergeleider is een specifieke familie van zulke materialen, opgebouwd uit lagen ijzeratomen gecombineerd met elementen zoals arseen of seleen. Het bijzondere is dat ijzer normaal juist bekendstaat als een magnetisch metaal, en magnetisme werd lange tijd gezien als de aartsvijand van supergeleiding.

De ontdekking in 2008 dat ijzerverbindingen toch uitstekend kunnen supergeleiden, kwam dan ook als een verrassing voor natuurkundigen. Vergelijk het met het vinden van een uitstekende zwemmer die eigenlijk allergisch is voor water: op basis van de bestaande theorie werd dit niet verwacht. Sindsdien vormen ijzergebaseerde supergeleiders, naast de eerder ontdekte koperoxide-supergeleiders (cupraten), de tweede grote familie van zogeheten hogetemperatuursupergeleiders — materialen die al bij relatief 'warme' temperaturen supergeleidend worden, al is 'warm' hier nog altijd zo'n 250 graden onder nul.

Wat is het precies?

Elk materiaal heeft een kritische temperatuur (Tc): de temperatuur waaronder het plotseling weerstandsloos wordt. Bij gewone metalen zoals lood of tin ligt die temperatuur vlak bij het absolute nulpunt (-273,15°C) en wordt het gedrag verklaard door de zogeheten BCS-theorie: elektronen vormen paren dankzij trillingen in het kristalrooster (fononen genoemd) en glijden zo ongehinderd door het materiaal.

Bij ijzergebaseerde supergeleiders ligt de kritische temperatuur veel hoger, tot boven de -220°C, en het vermoeden is dat het paringsmechanisme anders werkt. In plaats van roostertrillingen lijken schommelingen in het magnetische gedrag van de elektronen zelf — spin-fluctuaties genoemd — de lijm te vormen die elektronenparen bijeenhoudt. Zeker is dit nog niet; het precieze mechanisme is een van de grote open vragen in de vastestoffysica.

De materialen zelf bestaan uit dunne lagen ijzeratomen, afgewisseld met lagen van arseen (een pnictide-verbinding) of seleen/tellurium (een chalcogenide-verbinding). Onderzoekers groeperen ze naar hun chemische verhouding: de '1111'-familie (zoals LaFeAsO), de '122'-familie (zoals BaFe2As2), de '111'-familie (zoals LiFeAs) en de eenvoudigste, '11'-familie (zoals FeSe, ijzerselenide). Door atomen uit deze lagen gedeeltelijk te vervangen — bijvoorbeeld fluor voor zuurstof — of door druk toe te passen, verschuift de kritische temperatuur en kan de supergeleiding worden 'aangezet'.

Wat wil men ermee bereiken?

Het einddoel van supergeleidingsonderzoek is al decennia hetzelfde: een materiaal vinden dat bij kamertemperatuur supergeleidt, zonder dure koeling met vloeibaar helium of stikstof. Dat zou stroomtransport zonder verliezen mogelijk maken, extreem krachtige elektromagneten voor MRI-scanners en deeltjesversnellers, en energiezuinigere elektronica.

IJzergebaseerde supergeleiders zijn niet de kandidaat met de hoogste kritische temperatuur — cupraten en recente, onder extreme druk geteste waterstofverbindingen scoren daar hoger op. Hun aantrekkingskracht zit ergens anders: ze zijn vaak minder bros en makkelijker tot draad te verwerken dan cupraten, en ze verdragen extreem sterke magneetvelden voordat hun supergeleiding instort. Dat laatste maakt ze interessant voor toepassingen waarbij juist hoge magneetvelden nodig zijn, zoals in fusiereactoren of onderzoeksmagneten.

Daarnaast is er een fundamenteel wetenschappelijk doel: begrijpen waarom magnetisme en supergeleiding, twee verschijnselen die elkaar normaal uitsluiten, in deze materialen naast elkaar kunnen bestaan. Dat inzicht kan uiteindelijk helpen bij het gericht ontwerpen van nieuwe supergeleiders in plaats van ze bij toeval te vinden.

Voorbeelden uit de praktijk

De eerste doorbraak kwam van de Japanse chemicus Hideo Hosono en collega's aan het Tokyo Institute of Technology, die in 2008 aantoonden dat LaFeAsO1-xFx (lanthaan-ijzer-arsenide-oxide met wat fluor) bij -247°C (26 K) supergeleidend werd. Dit gold als het startschot voor het hele onderzoeksveld.

Binnen enkele maanden verbeterde een Chinese groep onder leiding van Zhi-An Ren dit record met een verwant materiaal, SmFeAsO1-xFx, tot -218°C (55 K) — nog altijd de hoogste kritische temperatuur die ooit bij normale druk in een ijzergebaseerde supergeleider bij 'bulk'-materiaal is gemeten.

Aan het Ames Laboratory in de Verenigde Staten groeide de groep van Paul Canfield hoogwaardige eenkristallen van BaFe2As2 (de '122'-familie), wat cruciaal was om de onderliggende fysica nauwkeurig te bestuderen.

Een opvallend hoofdstuk speelde zich af rond 2012-2014 aan Tsinghua University in Peking: de groep van Qi-Kun Xue liet zien dat een laag van slechts één atoom dik ijzerselenide (FeSe), gegroeid op een drager van strontiumtitanaat, tekenen vertoonde van supergeleiding bij mogelijk wel -173°C (100 K) — extreem hoog voor dit materiaal, al blijft de exacte waarde en interpretatie onderwerp van discussie.

Ook in Nederland en Duitsland (onder meer aan het Karlsruher Institut für Technologie) is uitgebreid onderzoek gedaan naar de kristalstructuur en magnetische eigenschappen van deze materialen, wat bijdroeg aan het internationale begrip van hoe ijzergebaseerde supergeleiding precies werkt.

Hoe ver is de techniek?

Ruim vijftien jaar na de ontdekking bevindt dit veld zich vooral nog in de fase van fundamenteel onderzoek, met voorzichtige stappen richting materiaalengineering. Er bestaan nog geen commerciële apparaten die gebruikmaken van ijzergebaseerde supergeleiders; cupraten en klassieke supergeleiders zoals niobium-titanium worden nu nog gebruikt in bijvoorbeeld MRI-scanners.

De grootste technische horde is het maken van lange, flexibele draden of tapes die de supergeleidende eigenschappen behouden. Net als bij cupraten blijkt dat korrelgrenzen — de overgangen tussen kleine kristaldeeltjes in een polykristallijn materiaal — de stroom kunnen blokkeren. Onderzoeksinstituten zoals NIMS in Japan en het Institute of Physics van de Chinese Academy of Sciences hebben de afgelopen jaren vooruitgang geboekt met het maken van draden en tapes die bij hoge magneetvelden bruikbare stroomdichtheden behalen, wat deze materialen dichter bij toepassing in onderzoeksmagneten brengt.

Op theoretisch vlak blijft het precieze paringsmechanisme onderwerp van debat, evenals de vraag of en hoe de kritische temperatuur verder omhoog kan. Records bij normale druk zijn sinds 2008 nauwelijks verbeterd, wat erop wijst dat deze materiaalfamilie mogelijk tegen een natuurlijke grens aanloopt — al bewijst de FeSe-monolaag dat onder specifieke, moeilijk te reproduceren omstandigheden hogere waarden mogelijk lijken.

Wie werken eraan?

Japan speelde een sleutelrol vanaf het begin, met Hideo Hosono en zijn team aan het Tokyo Institute of Technology als ontdekkers, en het National Institute for Materials Science (NIMS) als belangrijk centrum voor materiaalontwikkeling en draadonderzoek.

China bouwde razendsnel een sterke onderzoeksinfrastructuur op rond dit onderwerp, met het Institute of Physics van de Chinese Academy of Sciences (met onderzoekers als Zhongxian Zhao en Xianhui Chen) en Tsinghua University als belangrijke spelers.

In de Verenigde Staten dragen het Ames Laboratory (onderdeel van het Amerikaanse ministerie van Energie, met Paul Canfield als vooraanstaand onderzoeker), Oak Ridge National Laboratory en diverse universiteiten bij aan zowel materiaalgroei als theoretisch begrip.

In Europa zijn onder meer het Karlsruher Institut für Technologie en het IFW Dresden in Duitsland actief, naast onderzoeksgroepen in het Verenigd Koninkrijk en Frankrijk die zich richten op de kristalstructuur en elektronische eigenschappen van deze materialen.

Verder lezen

• Nature — wetenschappelijk tijdschrift met veel baanbrekende publicaties over ijzergebaseerde supergeleiders.
• American Physical Society — publiceert onder meer Physical Review B en achtergrondartikelen over supergeleidingsonderzoek.
• National Institute for Materials Science (NIMS) — Japans onderzoeksinstituut met een voortrekkersrol in supergeleidend materiaalonderzoek.
• Institute of Physics (IOP) — Britse uitgever van het vaktijdschrift Superconductor Science and Technology.