In draden van supergeleidende materialen zorgen korrelgrenzen voor weerstand. Een onderzoeksteam in Augsburg ontwikkelde met Twentse onderzoekers een slimme oplossing voor dit probleem.

Supergeleidende materialen vormen sinds hun ontdekking in 1986 een technische belofte, met name voor goedkope en enorm sterke magneten. Supergeleiders bestaan doorgaans uit keramisch materiaal, dat in een draad bestaat uit vele tegen elkaar liggende kristallen.

De bekende supergeleidende materialen moeten flink worden afgekoeld, willen ze hun superieure geleidingsvermogen tonen. In bestaande toepassingen koelt men materialen af met vloeibaar helium tot vlakbij het absolute nulpunt, ofwel tot 4 kelvin (269 graden Celsius onder nul). De zogenaamde hoge-temperatuursupergeleiders moeten in principe al bij het kookpunt van vloeibare stikstof kunnen werken, bij 77 kelvin. Dat maakt ze in gebruik veel goedkoper. Lang niet alle kristallen van het supergeleidende materiaal liggen netjes tegen elkaar aan. Vaak staan ze schots en scheef. De grenzen tussen de aaneengegroeide korrels vormen helaas een weerstand als de elektrische stroom te sterk wordt.

Een van de bekendste supergeleiders is yttriumbariumkoperoxide (YBa₂Cu₃O₇). Vorig jaar toonde het onderzoeksteam van Jochen Mannhart aan de universiteit van Augsburg aan, dat toevoegen van calciumionen aan dit materiaal de geleiding vergemakkelijkt, maar dat was wel bij slechts vier kelvin. Nu hebben de Duitse en Twentse onderzoekers bij 77 kelvin de geleiding door deze supergeleider sterk verhoogd, zo beschrijven ze in Nature. De oplossing was om alleen de korrelgrenzen met een beetje calcium te verontreinigen.

Nieuw materiaal geleidt zesmaal meer stroom

De onderzoekers groeien op een basislaag strontiumtitaanoxide (SrTiO₃) een laag met de supergeleider YBa₂Cu₃O₇. Die basislaag bevat symmetrische korrelgrenzen met een hoek van ruim 20°. De onderzoekers hoopten dat calciumionen langs deze korrelgrenzen in het materiaal zouden doordringen. Uiteindelijk ontstond boven op de zuivere supergeleider een dunne oppervlaktelaag die enkele calciumatomen bevatte. Bij 77 K maten de natuurkundigen een onverwacht hoge kritische geleidingsdichtheid. Het materiaal kan zesmaal meer stroom geleiden.

De verklaring ligt waarschijnlijk in het gedrag van het materiaal aan de korrelgrenzen. Daar waar kleine kristallen aan elkaar groeien, ontstaat een gebrek aan zuurstofatomen. Dat leidt tot een tekort aan ladingsdragers, in dit geval positief geladen gaten. Als nu aan zo’n grensvlak de driewaardige yttriumatomen hun plaats afstaan aan tweewaardige calciumatomen, heft dat de onbalans op en ontstaan er nieuwe, voor de geleiding noodzakelijke gaten.

Met deze ontdekking lijkt supergeleiding niet alleen hanteerbaar in zuivere kristallen, maar ook in materialen die uit supergeleidende kristallen zijn samengesteld. Dat neemt een barrière weg voor de praktische toepassing van supergeleiding bij hoge temperaturen.