superconductiviteit

Superconductiviteit is een toestand waarin bepaalde materialen bij zeer lage temperaturen geen elektrische weerstand meer vertonen en een extern magnetisch veld volledig afstoten (Meissner-effect). De overgang naar de superconductieve staat vindt plaats bij een kritische temperatuur (Tc) en kan afhankelijk zijn van druk en magnetische velden. De eerste waarneming gebeurde in 1911 door Heike Kamerlingh Onnes bij kwik bij circa 4,2 kelvin.

De oorzaak ligt in de vorming van Cooper-paren: elektronen die zich gedragen als een macroscopische quantumtoestand. Voor veel conventionele superconductors wordt de paring verklaard door de BCS-theorie, waarbij elektron-phonon-interacties de paring mogelijk maken en een energiegap ontstaat. Er bestaan Type I en Type II superconductors: Type I verdraagt een enkel kritisch veld en verliest de superconductiviteit abrupt bij dat veld, Type II kan hogere velden toleren doordat fluxvorten zich vormen en het materiaal in verschillende fasen blijft bestaan.

Materialen variëren van eenvoudige elementen zoals kwik, lood en niobium-titaaniumlegeringen (lage Tc) tot hoog-Tc superconductors zoals cupraten (bijv. YBa2Cu3O7−δ) en recentere ijzergebaseerde systemen. Hoog-Tc-supergeleiders functioneren bij temperaturen boven 77 kelvin en vereisen nog steeds cryogene koeling, doorgaans met vloeibaar stikstof. Het mechanisme achter hoge Tc blijft onderwerp van onderzoek.

Toepassingen omvatten onder meer magnetische resonantie beeldvorming (MRI), spoelen voor deeltjesfysica en medische toepassingen, maglev-treinen en potentieel voordelige, verliesarme elektriciteitsnetten. In de quantumtechnologie spelen superconductors een centrale rol bij qubits en precisie-metrologie.