Supergeleiders bestuderen met behulp van zwarte gaten

De masterscriptie van Enea Mauri is bekroond met een Shell Afstudeerprijs voor Natuurkunde. Volgens de jury toont Mauri zich door zijn uitstekende begrip van de onderliggende fysica een ‘rijpe natuurkundige’ die met kop en schouders uitsteekt boven wat van een masterstudent verwacht  mag worden. Mauri volgde aan de Universiteit Utrecht het masterprogramma Theoretical Physics en studeerde af op onderzoek naar hoge-temperatuur-supergeleiders. Hiervoor gebruikte hij een holografisch model met zwarte gaten dat beïnvloed is door ideeën van de Utrechtse Nobelprijswinnaar Gerard ‘t Hooft.

In zijn werkkamer op de universiteit hangen borden vol vergelijkingen aan de muur. “Wij doen geen praktische experimenten”, vertelt Mauri (25). “We doen experimenten door te rekenen met verschillende modellen.” Een echte supergeleider vinden we op zijn kamer niet en ook bekijkt hij geen echt zwart gat. Hij voert zijn onderzoek uit met computers en op papier.

Nog geen kloppende theorie

Met formules bestudeert hij supergeleiders bij relatief hoge temperaturen. “Het mechanisme van supergeleiding voor temperaturen vlakbij het absolute nulpunt is goed begrepen. Maar we hebben nog geen kloppende theorie die supergeleiding bij hogere temperaturen verklaard. Daarom doen wij hier onderzoek naar”, legt Mauri uit. Overigens is tot nu toe min 138 graden Celsius de hoogste temperatuur waarbij een materiaal supergeleidend bleek.

Open buis met water

Maar wat is supergeleiding nu precies? “Stel je een horizontaal geplaatste open buis met water voor”, zegt Mauri. “Wanneer je de buis scheefhoudt, gaat het water lopen. Als je de buis vervolgens weer horizontaal houdt, dan stopt het water met stromen. Dit komt door de wrijving tussen het water en de buis. Maar als die wrijving er niet zou zijn, zou het water ook blijven stromen als de buis horizontaal wordt gehouden. Hetzelfde geldt voor een supergeleider. Als ik er spanning op zet, gaat er elektrische stroom lopen. Maar ook als ik het potentiaalverschil weghaal, blijft er stroom lopen.”  

Zwarte gaten

Bij hogere temperaturen hebben de deeltjes in het supergeleidende materiaal veel interacties. Dit maakt het lastig om deze supergeleiders te bestuderen. Daarom gebruikte Mauri een holografisch model voor het beschrijven van zwarte gaten en elementaire deeltjes. Hiermee bestudeerde hij een virtueel zwart gat, gebruikmakend van Einsteins zwaartekrachttheorie. “Want”, licht Mauri toe, “de natuurkunde van de gekromde ruimtetijd kun je ook toepassen op metalen, dus ook op supergeleiders.”

Veel belangstelling voor hoge-temperatuur-supergeleiders

“Wereldwijd is veel belangstelling voor hoge-temperatuur-supergeleiders”, vertelt Henk Stoof, hoogleraar Theoretische Natuurkunde en begeleider van het masteronderzoek van Mauri. “In een supergeleider ondervindt elektrische stroom geen weerstand en dan heb je dus geen energieverlies. Dat scheelt op de elektriciteitsrekening.” Alleen: supergeleiders hebben een kritische temperatuur. Pas onder die kritische temperatuur worden ze supergeleidend. “Wat we dus zouden willen hebben, is een materiaal waarbij de kritische temperatuur niet te veel onder kamertemperatuur ligt. Dan hoeven we de supergeleider niet meer extreem te koelen.”

Eén van de allerbeste studenten

Stoof vindt het geweldig dat Mauri de Shell-afstudeerprijs gewonnen heeft, zeker ook omdat de scriptie één van de beste drie is in de hele natuurkunde, en niet alleen in de theoretische natuurkunde. “Enea is een van de allerbeste studenten die ik heb mogen begeleiden en hij verdient de Shell-prijs ten volle.” Stoof is dan ook zeer verheugd dat Mauri bij hem promotieonderzoek gaat doen. Hij gaat met name de ‘vreemde metalen’ bestuderen, die een onderdeel vormen van de familie van hoge-temperatuursupergeleiders.

Erkenning

Aan de Afstudeerprijs is een geldbedrag van 5.000 euro verbonden. Mauri gaat dit geld waarschijnlijk besteden aan het volgen van een Summer School. “Ik vind het mooi dat Shell deze prijs beschikbaar stelt. Het is toch een erkenning van mijn vak. Daarnaast is Shell natuurlijk gebaat bij een efficiënt transport van energie”, lacht hij. De Afstudeerprijs werd op 27 november uitgereikt bij de Koninklijke Hollandsche Maatschappij de Wetenschappen (KHMW) in Haarlem.

tekst: Roy Keeris