Hoe werkt een supergeleider?
Om te begrijpen hoe een supergeleider werkt, kan het nuttig zijn om eerst te onderzoeken hoe een normale geleider het eerst werkt. Bepaalde materialen zoals water en metaal laten elektronen vrij gemakkelijk door hen stromen, zoals water door een tuinslang. Andere materialen, zoals hout en plastic, laten geen elektronen door, zodat ze als niet-geleidend worden beschouwd. Proberen om elektriciteit erdoorheen te laten lopen, zou hetzelfde zijn als proberen water door een steen te laten stromen.
Zelfs tussen de materialen die als geleidend worden beschouwd, kunnen er enorme verschillen zijn in hoeveel elektriciteit daadwerkelijk kan passeren. In elektrische termen wordt dit weerstand genoemd. Bijna alle normale geleiders van elektriciteit hebben enige weerstand omdat ze eigen atomen hebben die de elektronen blokkeren of absorberen wanneer ze door de draad, water of ander materiaal gaan. Een beetje weerstand kan nuttig zijn om de elektrische stroom onder controle te houden, maar het kan ook inefficiënt en verspillend zijn.
Een supergeleider neemt het idee van weerstand en draait het op zijn kop. Een supergeleider bestaat meestal uit synthetische materialen of metalen zoals lood of niobiumtitanium die al een laag atoomgetal hebben. Wanneer deze materialen tot bijna absoluut nul worden ingevroren, worden de atomen bijna tot stilstand gebracht. Zonder al deze atoomactiviteit kan elektriciteit vrijwel zonder weerstand door het materiaal stromen. In praktische termen zou een computerprocessor of elektrisch treinspoor uitgerust met een supergeleider zeer weinig elektriciteit gebruiken om zijn functies uit te voeren.
Het meest voor de hand liggende probleem met een supergeleider is de temperatuur. Er zijn weinig praktische manieren om grote voorraden supergeleidend materiaal naar het vereiste overgangspunt te koelen. Zodra een supergeleider begint op te warmen, wordt de oorspronkelijke atoomenergie hersteld en creëert het materiaal weer weerstand. De truc voor het creëren van een praktische supergeleider ligt in het vinden van een materiaal dat bij kamertemperatuur supergeleidend wordt. Tot nu toe hebben onderzoekers geen metaal of composietmateriaal ontdekt dat al zijn elektrische weerstand bij hoge temperaturen verliest.
Om dit probleem te illustreren, stel je een standaard koperdraad voor als een rivier met water. Een groep elektronen zit in een boot en probeert stroomopwaarts op hun bestemming aan te komen. De kracht van het stroomafwaarts stromende water creëert weerstand, waardoor de boot nog harder moet werken om door de hele rivier te komen. Tegen de tijd dat de boot zijn bestemming bereikt, zijn veel elektronenpassagiers te zwak om verder te gaan. Dit is wat er gebeurt met een normale geleider - de natuurlijke weerstand veroorzaakt een vermogensverlies.
Stel je nu voor dat de rivier volledig bevroren was en de elektronen in een slee zaten. Aangezien er geen water stroomafwaarts zou stromen, zou er geen weerstand zijn. De slee zou gewoon over het ijs gaan en bijna alle elektronenpassagiers veilig stroomopwaarts afzetten. De elektronen veranderden niet, maar de rivier werd door temperatuur veranderd om geen weerstand te bieden. Het is het ultieme doel van supergeleideronderzoek om een manier te vinden om de rivier bij een normale temperatuur te bevriezen.