Jaarboek no. 89. 2010/2011 - Koninklijke Maatschappij voor ...

Het universum in een korreltje roest
ofwel: het haar van het zwarte gat en het wezen
van hoge temperatuur supergeleiding
Prof.dr. J. Zaanen
Instituut Lorentz, Universiteit Leiden
Het lijkt er op dat de snaartheorie eindelijk, na veertig
jaar, tenminste één natuurkundige betekenis heeft
gevonden. En wel in koperroest, een materiaal dat al
25 jaar berucht is vanwege het mysterie van supergeleiding
bij hoge temperaturen. Volkomen onverwacht
blijkt snaartheorie nu het quantumgedrag van
elektronen in koperroest te kunnen verklaren.
Het fenomeen van supergeleiding werd precies
honderd jaar geleden bij toeval ontdekt in Leiden
door Kamerlingh Onnes en zijn assistenten. In 1905
hadden ze het al voor elkaar gekregen om helium
vloeibaar te maken en daardoor waren ze in staat
om allerlei zaken af te koelen tot een paar graden
boven het absolute nulpunt. In de verwachting dat
het materiaal dat de elektrische stroom geleidt, vast
zou vriezen bij voldoende lage temperatuur, bestudeerden
ze de weerstand van een draadje kwik. Tot
hun grote verrassing bleek plotseling de weerstand
rond een temperatuur van vier Kelvin helemaal te
verdwijnen. Dit zette een speurtocht in gang naar
de oorsprong van dit fenomeen van supergeleiding.
Pas in 1957 leek dit voor eens en altijd begrepen te
zijn in termen van de Bardeen-Cooper-Schrieffer
theorie, die gerekend wordt tot de hoogtepunten
van de natuurkunde van de twintigste eeuw. Deze
theorie schrijft voor dat bij de supergeleidende
overgang de vrije elektronen die in eenvoudige
metalen zorgen voor het metallisch gedrag, zich
plotseling binden in paren. Deze paren zijn bosonen
en op het moment dat ze vormen, gaan ze over
in een collectieve quantummechanische toestand:
het ΄bose condensaat΄. In deze toestand zorgen de
elektronparen er met elkaar voor dat elk individueel
paar zich in een precieze quantum gedelocaliseerde
Natuurkundige voordrachten I Nieuwe reeks 89
vorm bevindt, zodanig dat ΄het overal tegelijkertijd
is΄, in dezelfde ΄quantum-vreemde΄ zin als de
beroemde kat van Schrödinger, die tegelijkertijd
levend en dood is.
De enige manier om deze toestand te manipuleren
is via magneetvelden: op dezelfde manier
waarop een normale harde stof weerstand biedt
tegen uitwendige mechanische krachten, wil de
supergeleidende toestand niets te maken hebben
met magnetische velden. Dit zogenaamde Meissner
effect is de oorzaak van de befaamde zweefeffecten,
die onder meer gebruikt voor het bouwen van
zweeftreinen.
In feite komt het er op neer dat fotonen, de quanta
van elektromagnetische straling, een gewicht krijgen,
zodat het onmogelijk wordt voor laagfrequent
licht om door te dringen in een stuk supergeleider.
Dit idee heeft grote invloed uitgeoefend in de
elementaire deeltjesfysica. Precies deze gedachte,
maar nu toegepast op de quantumvelden van het
standaardmodel van de deeltjesfysica, wordt geacht
te verklaren waarom materie massa heeft. Het Higgs
boson, waarvan de waarneming het belangrijkste
doelwit is van de nieuwe deeltjesversneller die in
bedrijf genomen is in Geneve (de Large Hadron Collider),
is niets anders dan een collectieve vibratie
van de ΄primordiale kosmische supergeleider΄ (het
΄Higgs condensaat΄): als deze waargenomen wordt,
kan het idee als bewezen beschouwd worden.
Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschappij
voor Natuurkunde ‘Diligentia’ te ’s-Gravenhage
op 21 februari 2011
89