Elke standaard kabel, elke draad, elk elektronisch apparaat heeft een elektrische weerstand. Er zijn, echter, supergeleidende materialen met het vermogen om elektrische stroom te geleiden met een weerstand van precies nul – in ieder geval bij zeer lage temperaturen. Het vinden van een materiaal dat zich bij kamertemperatuur als een supergeleider gedraagt, zou een wetenschappelijke doorbraak zijn van ongelooflijk conceptueel en technologisch belang. Het zou kunnen leiden tot een breed scala aan nieuwe toepassingen, van zwevende treinen tot nieuwe beeldtechnologieën voor medicijnen.

De zoektocht naar supergeleiders voor hoge temperaturen is buitengewoon moeilijk, omdat veel van de kwantumeffecten die verband houden met supergeleiding nog niet goed worden begrepen. Professor Neven Barišic, hoogleraar vastestoffysica aan de TU Wien (Wenen) doet experimenten met cuprates, een klasse van materialen die zich gedragen als een supergeleider bij recordtemperaturen tot 140 K bij omgevingsdruk. Barišic en zijn collega's hebben nu een opmerkelijke reeks resultaten en nieuwe inzichten opgeleverd die de manier waarop we denken over deze complexe materialen en over supergeleiding bij hoge temperaturen in het algemeen ingrijpend kunnen veranderen.

"Het fenomeen van supergeleiding bij hoge temperaturen is al tientallen jaren grondig onderzocht, maar niemand heeft het probleem nog opgelost, " zegt Neven Barišic. "Heel wat materialen vertonen supergeleidend gedrag bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt, en we begrijpen waarom dit bij sommigen gebeurt. Maar de echte uitdaging is om supergeleiding in cuprates te begrijpen, waar deze toestand aanhoudt bij veel hogere temperaturen. Een materiaal dat zich bij kamertemperatuur als een supergeleider gedraagt, zou de heilige graal van de vastestoffysica zijn - en we komen steeds dichterbij."

Barišic en zijn collega's hebben aangetoond dat er twee fundamenteel verschillende soorten ladingsdragers zijn in cupraten, en suggereerde dat supergeleiding cruciaal afhangt van het subtiele samenspel tussen hen.

Een deel van de elektrische lading is gelokaliseerd - elk van deze ladingsdragers zit op een bepaalde set atomen en kan alleen weggaan als het materiaal wordt verwarmd. Andere ladingdragers kunnen bewegen, springen van het ene atoom naar het andere. Het is de mobiele lading die uiteindelijk supergeleidend wordt, maar supergeleiding kan alleen worden verklaard door ook rekening te houden met de immobiele ladingsdragers.

"Er is interactie tussen de mobiele en de immobiele ladingdragers, die de eigenschappen van het systeem regelt, " zegt Barišic. "Blijkbaar, de immobiele ladingen fungeren als de lijm, paren van mobiele ladingsdragers aan elkaar binden, het creëren van zogenaamde Cooper-paren, die het basisidee zijn achter klassieke supergeleiders. Eenmaal gekoppeld kunnen de ladingsdragers supergeleidend worden en kan het materiaal de stroom zonder weerstand transporteren."

Dit betekent dat om supergeleiding te verkrijgen, er moet een subtiele balans zijn tussen mobiele en immobiele ladingdragers. Als er te weinig lokale ladingdragers zijn, dan is er niet genoeg "lijm" om de mobiele laaddragers te koppelen. Indien, anderzijds, er zijn te weinig mobiele ladingdragers, dan is er niets voor de "lijm" om te koppelen. In elk geval, supergeleiding is verzwakt of stopt helemaal. Bij een optimale middenweg blijft supergeleiding bestaan ​​bij opmerkelijk hoge temperaturen. Het was een uitdaging om te begrijpen dat de balans tussen mobiele en immobiele kosten is veranderd, als functie van temperatuur of doping, op een geleidelijke manier.

"We hebben veel verschillende experimenten gedaan met cuprates, verzamelen van grote hoeveelheden data. En tenslotte, we kunnen nu een alomvattend fenomenologisch beeld voorstellen voor supergeleiding in cuprates, ", zegt Neven Barisic. Hij heeft onlangs zijn bevindingen gepubliceerd in verschillende tijdschriften - meest recentelijk in wetenschappelijke vooruitgang — die aantonen dat supergeleiding ook geleidelijk optreedt. Dit is een belangrijke stap op weg naar het doel om cuprates te begrijpen en een manier te bieden om te zoeken naar nieuwe, nog betere supergeleiders.

Als het mogelijk werd om materialen te maken die zelfs bij kamertemperatuur supergeleiders blijven, dit zou verstrekkende gevolgen hebben voor de techniek. Er zouden elektronische apparaten kunnen worden gebouwd die nauwelijks energie verbruiken. Er kunnen zwevende treinen worden gebouwd, met behulp van extreem sterke supergeleidende magneten, zo goedkoop, ultrasnel transport mogelijk zou worden. "We zijn nog niet in de buurt van dit doel, " zegt Neven Barisic. "Maar een diepgaand begrip van supergeleiding bij hoge temperaturen zou de weg vrijmaken om daar te komen. En, Ik geloof, dat we nu een aantal belangrijke stappen in die richting hebben gezet."