Dankzij de ontdekking van Kamerlingh-Onnes meer dan 100 jaar geleden hebben we nu de MRI-scanner

Het is vandaag precies honderd jaar geleden dat Heike Kamerlingh-Onnes is overleden, misschien wel Nederlands belangrijkste natuurkundige. Hij won de Nobelprijs en ontdekte de supergeleiding. Grappig weetje: Kamerlingh-Onnes was ook de bedenker van de gevleugelde uitspraak ‘meten is weten’.

De grote natuurkundige bouwde in Leiden een modern, bijna industrieel ingericht cryogeen laboratorium met vakmensen, glasblazers en instrumentbouwers om de precisie te leveren die zijn meetfilosofie vereiste. Het leidde tot zijn belangrijkste prestatie: het vloeibaar maken van helium. In 1908 wist hij een temperatuur te bereiken van -269 graden, het kookpunt van helium, en toen de koudste temperatuur op aarde ooit gemeten. Met vloeibaar helium werd een hele reeks experimenten mogelijk die daarvoor simpelweg niet te doen was. Tijdgenoten spraken niet voor niets over Leiden als ‘het koudste plekje op aarde’.

De Nobelprijs

Het bracht hem in 1913 de Nobelprijs voor Natuurkunde. De jury roemde hem “om zijn onderzoek naar de eigenschappen van materie bij lage temperaturen, dat onder meer leidde tot de productie van vloeibaar helium”. Die formulering is veelzeggend: de prijs ging niet alleen om één spectaculaire prestatie, maar om een onderzoeksprogramma waarmee hij een compleet veld definitief op de kaart zette.

En dat was niet eens het hoogtepunt van zijn carrière. In 1911 koelde de natuurkundige kwik met vloeibaar helium en zag de elektrische weerstand abrupt wegvallen. Het fenomeen kreeg later de naam supergeleiding.

Wat is supergeleiding?
Supergeleiding is het verschijnsel waarbij een materiaal onder een kritische temperatuur zijn elektrische weerstand volledig verliest. Dat betekent dat stroom zonder enig energieverlies kan blijven circuleren. In normale metalen botsen elektronen voortdurend tegen trillende atomen, wat weerstand en warmte veroorzaakt. Maar wanneer een materiaal sterk wordt afgekoeld, kunnen elektronen zich koppelen tot zogeheten Cooperparen. Die paren bewegen zich collectief en ongehinderd door het kristalrooster. Het resultaat is nul weerstand. En precies dat ontdekte Kamerlingh Onnes toen hij kwik tot extreem lage temperaturen koelde.
Supergeleiders hebben daarnaast een tweede bijzondere eigenschap: ze stoten magnetische velden uit, het zogeheten Meissner-effect. Daardoor kunnen magneten boven een supergeleider zweven en ontstaan toepassingen zoals magneettreinen. In de praktijk worden supergeleidende magneten gebruikt in MRI-scanners en in deeltjesversnellers zoals bij CERN. Veel supergeleiders hebben nog steeds extreem lage temperaturen nodig, maar er wordt hard gezocht naar materialen die bij hogere temperaturen werken, een doorbraak die energievoorziening en technologie fundamenteel kan veranderen.

Waarom dit zo’n big deal was? Omdat het meteen liet zien dat materie bij extreem lage temperaturen niet ‘gewoon een beetje anders’ wordt, maar soms een compleet nieuwe toestand kan aannemen. Supergeleiding is inmiddels de basis onder toepassingen als MRI-scanners en het vormt een belangrijk hoofdstuk in de moderne materiaalfysica. Dat het spoor terugloopt naar een kwikmonster in Leiden, is precies het soort historische lijn dat Kamerlingh Onnes’ aanpak zo invloedrijk maakt: bouw de techniek, bereik de temperatuur en laat de natuur zelf het verhaal vertellen.

Kamerlingh Onnes’ nalatenschap is dus meer dan “de man die helium vloeibaar maakte”. Hij liet zien hoe je een discipline opbouwt: met instrumenten, standaarden, vakmanschap en meetcultuur. Zelfs vandaag wordt zijn ontdekking van vloeibaar helium in Leiden nog herdacht als een kantelpunt dat ultrakoude fysica naar de dagelijkse praktijk heeft gebracht.

We schreven vaker over dit onderwerp, lees bijvoorbeeld ook Nobelprijs Natuurkunde voor kwantumgedrag in elektrisch circuit en Geen supergeleiding, maar toch stromen energie en massa zonder weerstand door deze ‘kwantumdraad . Of lees dit artikel: Leidt deze Delftse vinding een nieuwe computerrevolutie in?

Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast: