Paul Ching-Wu Chu Feiten


Een Chinees-Amerikaanse experimentalist in de vaste-stoffysica, Paul Ching-Wu Chu’s (geb. 1941) leiderschap in supergeleidingsonderzoek in 1986-1987 leidde wereldwijd tot revolutionaire vooruitgang op het gebied van materiaal dat elektrische stroom draagt zonder weerstand bij hoge temperaturen.

Paul Ching-Wu Chu werd op 2 december 1941 in de Chinese provincie Hunan geboren. In 1949 werd hij naar Taiwan gebracht waar hij opgroeide en zijn opleiding kreeg. Zowel zijn familie als zijn land steunden zijn jeugdige interesses in radio’s, elektronica en transistors. Tegen de tijd dat hij de middelbare school in Taichung, centraal Taiwan, afmaakte, wist hij genoeg van de natuurwetenschappen om een experimenteel fysicus te willen worden.

Chu ging van 1958 tot 1962 naar de Cheng-Kung Universiteit, waar hij zijn B.S. diploma behaalde. Na een jaar dienst als officier bij de Nationalistische Chinese Luchtmacht migreerde hij naar de Verenigde Staten, waar hij zijn Master in de natuurkunde behaalde aan de Fordham Universiteit in de Bronx (1965). Daarna verhuisde hij naar de Universiteit van Californië in San Diego om vaste-stoffysica te studeren in het laboratorium van Bern T. Matthias (1918-1980), waar hij in 1968 promoveerde. Matthias, een expert in supergeleiding, oefende een sterke invloed uit op Chu en raadde hem aan om gedurfd te denken binnen zijn discipline. Bekend bij zijn Amerikaanse vrienden onder zijn doopnaam, Paul, publiceerde Chu zijn eerste wetenschappelijke artikelen in 1967 en 1968 over de relaties van hoge druk en lage temperatuur supergeleiding in verschillende metaalverbindingen.

Wat is supergeleiding

?

De Nederlandse natuurkundige Kamerlingh Onnes maakte voor het eerst vloeibaar helium in 1908 en ontdekte door middel van een reeks experimenten met die ontdekking in 1911 het fenomeen supergeleiding. Supergeleiding is het vermogen van elektrische stromen om volledig onaangeroerd door bepaalde materialen te zweven, zonder een ons energieverlies. Tot 1986 werd supergeleiding alleen gezien bij extreem koude temperaturen, enkele tientallen graden boven het absolute nulpunt. Dat maakte het als technologie vrijwel onbruikbaar vanwege de enorme kosten die nodig zijn om iets tot die ijskoude diepte af te koelen. Superkoud en supergeleidend gaan hand in hand, want supergeleiding is een toestand van materie die bevroren is boven vast. Neem een bekende stof, zoals water. Warm water moleculen verzorgen in een stomende wanorde; koeler water wordt georganiseerd genoeg om te stromen, of blijft in een glas; echt koud water kan rotsvaste stof bevriezen. De atomen in supergeleiders staan in een nog meer geordende array— zo goed geordend, in feite, dat ze zich allemaal gedragen als een enkel atoom. Wanneer elektriciteit door deze superkristallijne opstelling stroomt, botst hij niet met atomen in het metaal, maar verstrooit hij zijn energie op deze manier en dat, zoals normale stromen doen. Het verspilt zijn energie niet als warmte. De stroom verliest dus niets van zijn kracht.

Maar net zoals ijs niet bevriest boven 32 graden Fahrenheit, zullen de materialen niet supergeleiden boven hun overgangstemperatuur, die voor elk materiaal verschillend is. Net als een vriespunt is het de temperatuur waarbij de transformatie van vast naar supergeleidend plaatsvindt.

Traditionele (pre-1986) supergeleiders hadden allemaal overgangstemperaturen onder ongeveer 40 graden boven het absolute nulpunt. De enige manier om iets zo koud te krijgen is door het te omringen met vloeibaar helium, de koudste vloeistof die op aarde kan worden gecreëerd. Maar vloeibaar helium is zo duur dat elke efficiëntiebesparing van supergeleiding snel wordt opgegeten in de koelingkosten.

Het wonder van 1986 was tweeledig: Ten eerste waren de nieuwe materialen keramiek, en niemand kon er achter komen hoe een keramiek überhaupt elektriciteit kon dragen—veel minder zonder weerstand. Ten tweede werden de materialen supergeleidend bij temperaturen die “warm” genoeg waren om te worden gekoeld met vloeibare waterstof, wat volgens natuurkundigen goedkoper is dan bier.

Wat kan supergeleiding doen?

Sinds 1986 zijn er tientallen nieuwe supergeleidende materialen voor hoge temperaturen ontdekt. Degene die momenteel het record voor de hoogste overgangstemperatuur heeft, werd gecreëerd door Chu, die de jubileumworkshop organiseerde; het wordt supergeleidend bij 164 graden boven het absolute nulpunt. Toch is de hoge temperatuur alleen geen praktische supergeleider. De toepassingen met het meeste potentieel om te profiteren van supergeleidertechnologie vereisen sterke elektrische stromen en krachtige magneten; nucleaire magnetische beeldvorming, bijvoorbeeld, of voedingskabels en -motoren.

Maar veel van de nieuwe materialen kunnen niet dragen een sterke stroom zonder het vernietigen van hun eigen supergeleiding —smelten, in feite. Andere vallen uit elkaar in de aanwezigheid van een sterk magnetisch veld. Anderen kunnen zo’n hoge stroom dragen dat ze een traditionele koperdraad zouden verdampen. Maar helaas, zegt Chu, zijn ze erg onstabiel. “Instabiliteit en [hoge temperatuur supergeleiding] gaan hand in hand,” zei Chu.

Sommige toepassingen van supergeleiders—zoals magnetisch leviterende treinen—vertrouwen op nog een andere eigenschap van deze magische materialen. Een echte supergeleider stoot magnetische velden sterk af. Een magneet die in de buurt van een supergeleider komt, drijft op een onzichtbare wolk van magnetische kracht zoals een boot op het water. Treinen die op zulke wolken rijden zouden met 500 mph of meer van stad naar stad moeten kunnen vliegen, maar voorlopig zijn alleen de Japanners serieus bezig met zo’n project.

Hoge temperatuursupergeleiding is vooral nuttig in toepassingen die een uitstekende gevoeligheid vereisen. Omdat supergeleidende atomen in lockstep bewegen, is het zeer eenvoudig om zelfs de kleinste variaties in magnetische velden op te pikken. Zo ontwikkelt IBM al mijndetectoren voor de marine die magnetische velden kunnen oppikken die kleiner zijn dan die van een bewegende paperclip.

Indeed, de meest ontwikkelde toepassingen tot nu toe zijn supergevoelige magnetisch veld detectoren (oproep SQUIDS, voor Superconducting Quantum Interference Devices) die worden gebruikt in alles van geologie tot olie prospectie. Ontwikkelaars zien enorme markten in de geneeskunde, bijvoorbeeld in hoge-temperatuur apparaten voor het luisteren naar de magnetische schommelingen van het hart en de hersenen. Natuurlijk zal geen van deze beloften werkelijkheid worden totdat een groot aantal technologische problemen is overwonnen. Koelsystemen moeten beter en goedkoper worden en supergeleidende componenten voor hoge temperaturen moeten robuust genoeg zijn om de harde klappen van het dagelijks gebruik en de massaproductie te kunnen weerstaan. Onderzoekers die deze materialen maken hopen nog steeds dat de theoretici—wiens taak het is om uit te leggen hoe ze werken—in de toekomst enige begeleiding zullen bieden. Zonder een werkbare theorie hebben ze moeten vertrouwen op giswerk en intuïtie. “Ik heb echt geen idee wat het mechanisme is achter het supergeleiden bij hoge temperaturen,” zei Chu.

Een geschiedenis van Chu’s werk

In 1926 produceerde W. H. Keesom voor het eerst vast helium door hoge drukken bij lage temperaturen te gebruiken. Het was Matthias die deze traditie voortzette, op zoek naar meer en betere supergeleidende materialen en steeds hogere kritische temperaturen (Tc) waarbij deze materialen supergeleiding zouden kunnen vertonen. Matthias vond meer dan duizend van dergelijke verbindingen en behaalde in 1953 een record Tc van 18,3 K (Kelvin) in een nikkel/tin legering. Met zijn basisbenadering werd door John Gavaler en Lou Testardi in 1973, zeven jaar voor zijn dood, een nieuw record van 23,2 K verkregen in metallische niobium/germanium films. Chu’s inspiratie kwam, net als die van Keesom, grotendeels van zijn mentor. Maar terwijl Matthias zich had laten beperken door het werken met de zeer dure cryogenica van vloeibaar helium, kon Chu in zijn vroege onderzoek de veel goedkopere maar gevaarlijke cryogenica van vloeibare waterstof gebruiken. De heilige graal, een cryogeen van goedaardige vloeibare stikstof, die goedkoper is dan melk of bier, bleef het animerende motief voor het onderzoek naar supergeleiding in de jaren 1970 en 1980.

Na twee jaar bij de technische staf van Bell Laboratories in New Jersey werd Paul Chu benoemd in zijn eerste academische functie aan de Cleveland State University in Ohio. Daar werd hij in 1973 Amerikaans staatsburger en steeg hij in 1975 naar de rang van hoogleraar, waardoor hij een energiek onderzoeksteam oprichtte op het gebied van supergeleiding, magnetisme en diëlektriciteit. In 1978, met J.A. Woolam, hij co-uitgeverij van het boek High Pressure and Low Temperature Physics. Dit werk, plus meer dan 50 refereed wetenschappelijke papers, leidde hem te worden het hof gemaakt door en won aan de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Houston in 1979.

Voor het grootste deel van het volgende decennium werkten Chu en zijn collega’s gestaag aan de verwezenlijking van zijn droom om een supergeleidend materiaal te fabriceren dat boven de ongelooflijk hoge temperatuur van 77 K kon presteren. Een sprong van 50 K naar een “praktische” hoge temperatuur boven 77 K, het kookpunt van vloeibare stikstof, leek voor veel wetenschappers onoverkomelijk. Maar toen, in 1986-1987, veranderde alles en werd de hoge temperatuur supergeleiding (HTS) geboren.

Johannes Georg Bednorz en Karl Alex Müller van het onderzoekscentrum Zürich van de IBM Corporation publiceerden in de september 1986 editie van Zeitschrift für Physik dat ze “mogelijke hoge Tc” supergeleiding bij 35 K in een La2Ba1Cu4 O (of lanthaan 214) mengsel hadden waargenomen. Er begon een wereldwijde race om de chemie en de fysica van dit fenomeen te begrijpen. Onderzoeksteams over de hele wereld, zoals Bell Labs in New Jersey en laboratoria in Tokio, Zürich, Berkeley, Houston (natuurlijk), en vele andere steden probeerden het voorkomen van supergeleiding in het La214-mengsel te begrijpen. Chu’s groep heeft de verbinding chemisch gezuiverd, de supergeleidende fase geïsoleerd, en vervolgens grote fysieke druk uitgeoefend, waardoor de Tc tegen het einde van 1986 met succes in het midden van de jaren 50 K werd opgevoerd.

Op 12 januari 1987 hadden ze voor het eerst ondubbelzinnig supergeleiding boven 77 K vastgesteld. Omdat de fysieke druk zo’n fenomenaal effect had op Tc, besloten ze hetzelfde effect na te bootsen door kleinere atomen te vervangen door het lanthaan en barium in de verbinding. Het leek redelijk om calcium te vervangen door barium, maar dat werkte niet. Een andere poging tot vervanging, deze keer met behulp van strontium, was succesvol. Lanthaan werd gemakkelijk vervangen door yttrium. Zo was Chu’s groep eind januari 1987, samen met M. K. Wu (zijn vroegere student, toen aan de Universiteit van Alabama in Huntsville), ervan overtuigd dat ze gestabiliseerd waren en ondubbelzinnig supergeleiding hadden waargenomen boven 90 K in hun Y1Ba2Cu3 O (of Yttrium 123) verbinding. Binnen enkele weken werd door de vervanging van yttrium door bijna alle zeldzame aarde-elementen aangetoond dat er een hele nieuwe klasse supergeleiders was ontdekt.

Voor de eerste keer kon het supergeleidingsonderzoek doorgaan met goedkope vloeibare stikstof. De koper-zuurstof lagen in deze keramiek lijken de plaats te zijn waar de supergeleiding plaatsvindt. Ongebruikelijk elektrisch en magnetisch gedrag, dat suggereert dat er supergeleiding is bij veel hogere temperaturen, is vervolgens gerapporteerd. Deze afwijkingen voldoen echter niet aan de vier criteria om ondubbelzinnig aan te tonen dat ze supergeleidend waren. Deze criteria zijn nul elektrische weerstand, het Meissner-effect, hoge stabiliteit en betrouwbare reproduceerbaarheid. Tegen het einde van 1987, ondanks de anomalieën en het heersende pessimisme dat er nog meer ontdekkingen zouden worden gedaan, voorspelde Chu vol vertrouwen HTS ver boven de 100 K:

.

Hoge Tc is een reële mogelijkheid, en bekende toepassingen vormen ook grote beloften en uitdagingen voor ons allemaal. Maar ik denk dat het gebied van nieuwe toepassingen op maat van de ongewone eigenschappen van deze klasse van materialen een nog grotere belofte inhoudt. Inderdaad, het jaar 1987 is een “super” jaar in de fysica. We zijn getuige geweest van supergeleiding, [een] supernova, [de] superstring (theorie), en supergeleidende supercollider (autorisatie). Laten we genieten van deze super-events in de fysica.

Bijna onmiddellijk, in het voorjaar van 1988, werd supergeleiding tot 125 K waargenomen in een thalliumverbinding (TICaSrCuO) door S. Sheng en A. Hermann.

Bednorz en Müller wonnen in 1987 de Nobelprijs voor Natuurkunde, maar Chu kreeg respect en steun toen hij bleef werken aan “super high,” en “super tech”—dat wil zeggen, ruimtetemperatuursupergeleiding en supergeleidende technologie, respectievelijk.

Supergeleiding bij kamertemperatuur werd gemeld door het Franse onderzoeksteam van Jean-Pierre Bastide en Serge Contreras van het National Institute of Applied Science in Lyon in december 1996. De kamertemperatuurgeleiding vertegenwoordigt een sprong van 200 graden Fahrenheit, en de onderzoekers voeren experimenten uit om de Franse resultaten te verifiëren.

Verder lezen over Paul Ching-Wu Chu

Paul C. W. CHU verwierf grote bekendheid in 1987 en 1988 met talrijke onderscheidingen en veel aandacht in kranten en tijdschriften. Naast zijn eigen populaire artikelen over “Lasers” en “Supergeleiding” in Funk en Wagnall’s New Encyclopedia (1982) en over “Supergeleiding” in McGraw-Hill Yearbook of Science and Technology 1989, kan men zijn favoriete artikel “The Discovery and Physics of Superconductivity above 100 K,” in AIP Conference Proceedings 169 raadplegen: Modern Physics in America, A Michelson-Morley Centennial Symposium, W. Fickinger en K. Kowalski, redactie (1988). Het meest populaire artikel over dit onderwerp is “Supergeleiders! The Startling Breakthrough that Could Change Our World,” in TIME (11 mei 1987). Andere populaire artikelen zijn onder andere James Gleick, “In the Trenches of Science”, in The New York Times Magazine (16 augustus 1987); en Al Reinert, “The Inventive Mr. Chu,” in Texas Monthly (augustus 1988). Een boeiende en snelle geschiedenis van Chu’s werk die leidde tot de ontdekking van supergeleiding bij hoge temperaturen, bedoeld voor de niet-wetenschapper, is te vinden in The Breakthrough, The Race for The Superconductor, van R. M. Hazen (1988). De wetenschappelijke basiskennis over supergeleiding is te vinden in V. Daniel Hunt’s Super-conductivity Source Book (1989). Voor de geschiedenis van lage-temperatuur-wetenschappen en -technologieën, zie K. Mendelssohn’s The Quest for Absolute Zero, the Meaning of Low Temperature Physics (1966).


GOSTOU? PARTILHE COM OS SEUS AMIGOS!