supergeleidende

Supergeleidende materialen vertonen bij lage temperaturen twee kernmerken: nul elektrische weerstand en uitsluiting van magnetische velden, het Meissner-effect. Het verschijnsel werd in 1911 door Heike Kamerlingh Onnes bij kwik vastgesteld toen de weerstand bij ongeveer 4,2 kelvin plotseling naar nul zakte. In 1933 werd het Meissner-effect bevestigd: een supergeleidende stof stoot een magnetisch veld uit en houdt dit veld buiten zodra de stof in de superconductieve toestand verkeert.

De meeste bekende theorie voor conventionele superconductors is de BCS-theorie (1957). Elektronen vormen koppels, Cooper-paren, die via phonon-uitwisseling met een aantrekkingskracht bewegen en een energie-gap openen. Deze paren gedragen zich als een gezamenlijke quantumtoestand die weerstand verdwijnt onder de kritieke temperatuur Tc en bij lage magnetische velden. Er bestaan Type I en Type II superconductors; Type I vertonen volledige Meissner-exclusie tot een kritieke veld, Type II laten fluxvortexen toe en kunnen hogere velden weerstaan.

Materialen: traditionele superconductors omvatten elementen zoals kwik en legeringen zoals NbTi en Nb3Sn, die opereren bij lage Tc. Hoogtemperatuur-supergeleiders omvatten keramische cupraten (koperoxide-oxide) en recente ijzergebaseerde systemen die Tc aanzienlijk hoger kunnen bereiken onder bepaalde omstandigheden. De doorbraak in hoog-Tc-supergeleiding in de jaren 1980 maakte koeling met vloeibaar stikstof mogelijk en gaf een impuls aan praktische toepassingen, vooral wanneer compacte en goedkope cryogene systemen beschikbaar zijn.

Toepassingen en uitdagingen: belangrijke toepassingen zijn onder meer MRI-machines, magneten voor deeltjesfysica (zoals in grote colliders), maglev-treinen en SQUID-sensoren. Uitdagingen blijven onder meer de kosten en complexiteit van cryogene systemen, materiaal productie en de betrouwbaarheid van hoog-Tc-materialen. Desondanks blijft het onderzoek naar betere materialen en lagere verliezen een kernpunt in deze technologie.