Logo DBNL
Heike Kamerlingh Onnes. Een biografie (2005)

Heike Kamerlingh Onnes. Een biografie

(2005)–Dirk van Delft–rechtenstatus Auteursrechtelijk beschermd

De man van het absolute nulpunt


Vorige Volgende

29 Suprageleiding

De ontdekking van supergeleiding had weinig heroïsch. In tegenstelling tot vloeibaar helium, dat na een lange aanloop op de natuur was bevochten, kwam de supergeleiding van kwik uit de lucht vallen. Niemand had erom gevraagd, niemand die begreep wat er aan de hand was. Ooggetuigeverslagen ontbreken, waarneemboekjes zijn verloren gegaan. Ditmaal geen Bé die haar man te midden van vacuümpompen en cryostaten brood voerde, geen gelukwensen van collega's, geen meeslepend Akademieartikel zoals juli 1908 over vloeibaar helium. In plaats daarvan voorlopige berichten zonder sprekende details, een soms afwezige Onnes die de waarnemingen van metaalweerstanden overliet aan zijn assistent en geen brieven aan Van der Waals of Zeeman die in geuren en kleuren uiting gaven van iets idioots bij bevroren kwik van 4,19 kelvin.

Het verhaal van de ontdekking van supergeleiding mag in 1911 niet opgetekend zijn, informatie uit de tweede hand is wel voorhanden. Zo kreeg Jacobus de Nobel, die in 1931 als student natuurkunde in het cryogeen laboratorium zijn intrede deed, opklom tot lector en zijn leven lang Leiden trouw zou blijven, van Gerrit Jan Flim de gebeurtenissen van april 1911 in geuren en kleuren te horen.1 En inderdaad: weinig heldendom, meer geluk dan wijsheid en een hoofdrol voor een dommelende instrumentmakersleerling. Waarbij natuurlijk het risico bestaat dat het verhaal is aangedikt.

De metingen van de elektrische weerstand van bevroren kwik bij heliumtemperaturen pasten in het programma van het Natuurkundig Laboratorium. Gilles Holst, Onnes' assistent, zat aan de knoppen, Onnes en Flim aan de kranen. Ook assistent Cornelis Dorsman was bij het onderzoek naar elektrische weerstand betrokken. In eerste instantie werkte Onnes met een u-vormig buisje kwik, met aan beide uiteinden platinatoevoerdraden. De weerstand van de kwikdraad werd gemeten met een Wheatstonebrug. De heliumcryostaat stond in lokaal e'; de spiegelgalvanometer (met een lichtstraal als ‘wijzer’ die in het donker werd afgelezen) in de magnetische zaal 1 tientallen meters verderop. Het heliumbad was een zaak van Flim, terwijl Holst in 1 de lichtvlek op de schaalverdeling op de muur volgde, de brug-

schakeling bijregelde en bij evenwicht weerstandswaarden noteerde. Via een spreekbuis gaven de heren elkaar commando's.

De temperatuur in de heliumcryostaat werd ingesteld door het vloeistofbad al dan niet krachtig af te pompen. Om te voorkomen dat kostbaar heliumgas onverhoopt zou weglekken, werd de heliumdruk altijd iets onder de luchtdruk gehouden. Binnenstromende lucht in geval van een lek zou dat lek via bevriezing onmiddellijk dichten. Fijnregeling van een kraan in de pompleiding hield de gewenste onderdruk op peil. Een duf karweitje dat, aldus het verhaal van De Nobel, neerkwam op het turen naar een oliemanometer en het bedienen van een hendel zodra het olieniveau veranderde. Typisch iets voor een instrumentmakersleerling die uit een werkplaats was geplukt.

Tot misnoegen van Holst, Onnes en de overige betrokkenen bleek de weerstand van kwik bij heliumtemperaturen nul. Onmiddellijk dacht men aan kortsluiting in de bedrading in de cryostaat. De metingen, aldus het verhaal van De Nobel, werden herhaald, wat minstens een week wachten op een nieuwe run van de heliumliquefactor inhield, maar de kortsluiting keerde steeds terug. Daarop werd de u vervangen door een w, met platinadraden aan alle vijf de ‘punten’. Dat gaf de mogelijkheid de weerstand van vier stukjes kwikdraad onafhankelijk van elkaar te bepalen. Vier keer kortsluiting! Wat was er in vredesnaam aan de hand? De oplossing diende zich pas aan toen de ‘blauwe jongen’ van de oliemanometer de fout inging. Hij dommelde weg, met als gevolg dat langzaam maar zeker de druk in de heliumcryostaat opliep en de temperatuur steeg van iets onder 4 kelvin tot het kookpunt van helium, 4,25 kelvin. Op een gegeven moment werd de sprongtemperatuur, boven welke de weerstand van een supergeleider terugkeert, gepasseerd en zag Holst in 1 zijn galvanometer opeens een zwieper maken. Het kwartje viel, Leiden had de supergeleiding ontdekt. - Een mooi verhaal, maar de stap van de u naar de w is in de publicaties niet terug te vinden en zou er wel eens bij gefantaseerd kunnen zijn.

Meer dan thermometrie

Met weerstandsmetingen aan metalen had Leiden ruime ervaring: draden van platina en goud, geijkt met gasthermometers, deden sinds 1902 dienst als thermometer. Na de liquefactie van helium, juli 1908, lag het voor de hand dit onderzoeksgebied uit te breiden naar temperaturen van 4,2 kelvin en lager. Daartoe moest wel - in afwachting van een aparte heliumcryostaat - de ruimte met vloeibaar helium worden vergroot, om gas- en weerstandsthermometer alsmede dilatometer (ter bepaling van de dichtheid) er überhaupt kwijt te kunnen. December 1910 ging met deze aangepaste lique-

factor de serie ‘Verdere proeven met vloeibaar helium’ van start. Ideaal was het niet. Zo was er geen ruimte voor een roerder, zodat de temperatuurcontrole in het bad te wensen overliet. Niettemin gaven de waarnemingen een intrigerend verloop te zien van de dichtheid van vloeibaar helium tegen de temperatuur en ook de weerstand van platina had bij heliumtemperaturen een verrassing in petto.

De theorie van het geleidingsvermogen van metalen maakte in 1900 een sprong voorwaarts toen de Duitser Paul Drude de kinetische gastheorie op elektronen in metalen toepaste.2 De geleiding in een metaal kwam in zijn aanpak voor rekening van een elektronengas: vrije elektronen die al botsend tegen de atomen door het metaal bewogen en bij spanningsverschil één kant op gaan. Drude wist af te leiden dat het geleidingsvermogen omgekeerd evenredig was met de absolute temperatuur. Dus zou de elektrische weerstand (het omgekeerde van het geleidingsvermogen) bij dalende temperatuur lineair af moeten nemen, om bij het absolute nulpunt gelijk aan nul te worden. Probleem met dit resultaat was dat experimenten, onder anderen van Dewar, gekromde curven te zien gaven. Leidse weerstandmetingen van Meilink en Clay, uitgevoerd in de periode 1902-1908, bevestigden dat beeld.

De elektronentheorie behoefde dus aanpassing. In 1901 kwam lord Kelvin met een gewijzigde theorie waarin de weerstand bij temperatuurdaling een minimum doorliep, om bij het naderen van het absolute nulpunt naar oneindig te schieten. Kelvin publiceerde zijn artikel in het jubileumboek ter gelegenheid van Bosscha's emeritaat (en vervolgens in Philosophical Magazine) op uitnodiging van Onnes, die de bijdragen coördineerde.3 Volgens de Brit zouden elektrische krachten bij voldoend lage temperaturen het ‘losplukken’ van electrions (Kelvins benaming voor ladingdragers) van de atomen beletten. Bij temperatuurstijging, aldus Kelvin, daalde in eerste instantie de weerstand door toedoen van weggeschoten electrions. Was het te warm, dan trilden de atomen door hun thermische beweging zo hevig dat er voor de electrions geen doorkomen meer aan was en de weerstand weer opliep. Dus nam de weerstand bij zekere temperatuur een minimum aan.

In zijn rectorale rede van 1904 omarmde Onnes dit idee, al verkoos hij de dynamiden van Philipp Lenard (Heidelberg) boven Kelvins electrions. Dynamiden, de bouwstenen van het atoom, waren ‘uiterst klein ten opzichte van hun onderlingen afstand, en weder bestaande uit twee electrisch tegengesteld geladen deeltjes, die als eene planeet en haar satelliet samengaan’. Vrije elektronen, ‘de kometen van de atomen’, bewogen zich in Lenards theorie (gepubliceerd in 1903) van het ene atoom naar het andere ‘als de moleculen van een gas of damp’. Bij temperatuurdaling verminderde de

snelheid der vrije elektronen, zodat ze minder vaak tegen de dynamiden botsten en de weerstand afnam. Maar aan die daling kwam een eind zodra ‘de damp van electronen, die de ruimte van het metaal vult, bij lagere temperatuur meer en meer op de atomen neerslaat’. Vandaar dat de weerstand een minimum doorliep, ‘zooals Kelvin het eerst heeft uitgesproken’, terwijl bij het absolute nulpunt ‘een metaal even als glas volstrekt niet meer zou geleiden’. ‘[D]e electriciteit zou als 't ware in het metaal gestold zijn.’ Een alternatieve manier om ‘de komentenaard’ van elektronen op te heffen bood het plaatsen van het metaal in een magnetisch veld.4

Het probleem met de theorie van Kelvin/Lenard was dat het minimum in de weerstand door niemand was waargenomen. De waarden van Onnes' platina- en goudweerstanden mochten bij lage temperaturen afvlakken, een minimum was wat anders en de vraag of de weerstand bij het absolute nulpunt naar oneindig ging of naar nul, lag in 1910 nog open. Sinds Leidse weerstandsmetingen in vloeibare waterstof mogelijk waren neigde Onnes, in navolging van Dewar, tot de tweede opvatting. Zekerheid moest komen van het experiment. Het was dus meer dan thermometrie alleen die Onnes nieuwsgierig maakte naar weerstandswaarden in vloeibaar helium.

De metingen van december 1910 aan platinadraad PtB, eerder (juni 1907) door Jacob Clay in het waterstofgebied geijkt, gaven een verrassing te zien: geen minimum, geen afname richting nul maar een lagere waarde die constant bleef.5 Hoe viel dat te duiden? Onnes kwam tot de conclusie dat aanwezige verontreinigingen in het platina een temperatuuronafhankelijke restweerstand veroorzaakten, en dat zuiver platina bij heliumtemperaturen een weerstand nul zou hebben. In april constateerde Onnes bij een gouddraad tussen 4,2 en 1,5 kelvin eveneens een stabiele restwaarde. Eerder had Clay bij goud vastgesteld dat de weerstand lager lag als de draad minder verontreinigingen bevatte. 100 procent zuivere metalen, zo leek het, waren al bij 4,2 kelvin perfecte stroomgeleiders.

Het minimum van Kelvin, inclusief neerslaande elektronendamp bij nog grotere koude, kon in de kachel, zoveel was duidelijk. Ter verklaring van het ‘opmerkelijke dalen van de weerstand tot zoo goed als nul’ bij 4,2 kelvin, en het nul blijven bij nog lagere temperatuur, zocht Onnes zijn heil bij de quantumtheorie van Planck. Uitgangspunt waren de vibratoren uit Einsteins theorie van de soortelijke warmte en een potpourri van Planck, elektronentheorie en Einstein leverde een formule op voor het geleidingsvermogen (ten opzichte van dat bij 0oC) tegen de temperatuur. Bij lage temperaturen vroren niet de elektronen vast maar de vibratoren, alles in samenhang met hun frequentie. De grootte van die frequentie volgde uit soortelijke-warmtebepalingen, zoals Nernst had laten zien.



illustratie
Proefopzet ter bepaling van de weerstand van kwik, resulterend in de ontdekking in april 1911 van de supergeleiding beneden 4,2 kelvin. Het bevroren kwik zit in een serie nauwe glazen capillairs die in de heliumcryostaat hangen, voorzien van elektrische toe- en afvoerdraden om spanning en stroomsterkte te meten.


De hypothese van het praktisch wegvallen van de weerstand van een zuiver metaal bij zeer lage temperatuur werd april 1911 getoetst in een proef met kwik.6 Dat metaal was zeer zuiver te krijgen via herhaalde destillatie in vacuüm. Het aldus behandelde kwik werd overgeheveld in een zigzag-gebogen glazen capillair met een inwendige diameter van slechts 0,05 mm en een hoogte van 20 cm.7 Omdat kwik bij bevriezing krimpt, waren op de bovenbochten van het capillair kwikreservoirtjes (‘hoofdjes’) bevestigd die via extra toevoer verhinderden dat het kwik bij het stollen (er werd uiterst behoedzaam met vloeibare lucht van onder naar boven gekoeld) van het glas losscheurde. Vaak brak de draad alsnog, maar soms lukte het om een kwikdraad van voldoend grote weerstand te maken, in de praktijk in de orde van honderd Ohm bij 0oC (een geëxtrapoleerde waarde; kwik smelt bij -39oC).

Die kwikdraadconstructie paste, ook als de zeven u-vormige capillairen op rij tot een cilindermantel waren gebogen, met geen mogelijkheid in de heliumliquefactor, dus was het wachten op de aparte heliumcryostaat. April 1911 kwam die gereed - met roerder - en werd het weerstandsonderzoek hervat met draden van kwik en goud. De trillingsfrequentie van de vibratoren van kwik bepaalde Onnes via toepassing van een soort wet van overeenstemmende toestanden voor metalen, met het smeltpunt als overeenstemmende temperatuur. Het leidde tot de voorspelling dat bij 4,2 kelvin de weerstand van de kwikdraad vergeleken met de waarde bij waterstoftemperaturen fors zou dalen maar niettemin meetbaar zou blijven. Bij verdere temperatuurverlaging, zo was de verwachting, zou de weerstand verder afnemen, om bij 1,5 kelvin onmeetbaar klein te worden. Niet lang daarna kwam Onnes erachter dat Lindemann in Berlijn ‘op grond van meer gespecialiseerde voorstellingen’ in 1910 een veel hogere waarde van de frequentie had afgeleid, terwijl juist de Leidse waarde de proef met kwik ‘bijzonder uitlokkend maakte’. Het had dus weinig gescheeld of Onnes, een man die de literatuur goed volgde (of Keesom daartoe de opdracht gaf) had van kwik afgezien. ‘[M]isschien is [het] toch gelukkig te achten, dat ik deze niet gekend heb.’8

De ‘voorlopige’ Akademiemededeling van april,9 waarvoor ‘alle aanleiding’ was, gaf de volgende uitkomsten voor de weerstand van kwik (steeds in verhouding tot de waarde bij 273 kelvin): 0,034 bij 13,9 kelvin, 0,0013 bij 4,3 kelvin en minder dan 0,0001 bij 3 kelvin. ‘Het experimenteele feit, dat men een zuiver metaal in den toestand kan brengen waarbij de galvanische weerstand nul is geworden, althans niet merkbaar daarvan verschilt, is zeker op zichzelf van groot belang,’ aldus Onnes. Om eraan toe te voegen dat zijn idee van Planckse vibratoren als bepalende factor voor de weerstand van metalen ‘belangrijken steun’ had gekregen. En er was meer. De frequentie



illustratie
Grafiek waarin voor diverse metaaldraden (goud, lood, kwik) de weerstand r uitstaat tegen de temperatuur. Bij kwik is sprake van een plotseling wegvallen van de weerstand bij 4,2 kelvin: supergeleiding.


van de kwikatomen correspondeerde met een golflengte van 0,5 mm, ‘terwijl Rubens [ptr, Berlijn] juist dezer dagen heeft gevonden, dat een kwiklamp uiterst langgolvige trillingen afgeeft, die ongeveer 0,3 m.m. golflengte hebben’. Zo werd bij metalen ‘onverwacht een brug gelegd’ tussen temperatuurafhankelijkheid van de weerstand en langgolvige emissie. Intrigerende en opwindende fysica.

Een maand later had Onnes de weerstand van de kwikdraad nog eens overgemeten met de ‘methode van de overelkaargrijpende nevensluiting door een differentiaal galvanometer’, die nauwkeuriger uitkomsten opleverde.10 Bij 3 kelvin bleek de weerstand onder de 0,000003 Ohm te liggen, minder dan een tienmiljoenste van de waarde bij 0oC (39,7 Ohm). Überhaupt meetbaar was de weerstand vanaf temperaturen iets boven 4,2 kelvin. November 1911 kwam Onnes terug op de weerstandssprong, die sneller verliep dan zijn vibratorenformule aankon. Eerder die maand, op het eerste Solvay-congres, had Paul Langevin geïnformeerd of het kwik bij het sprongpunt soms geen modificatie onderging, bijvoorbeeld een andere kristalstructuur (allotropie). Metingen van de soortelijke warmte en het warmtegeleidingsvermogen van kwik stonden op stapel - ze gaven geen sprong te zien - en voorlopig hield Onnes het erop dat vooral een hogere frequentie van de kwikvibratoren beneden 4,2 kelvin voor de sterk dalende weerstand verantwoordelijk was.

Het is aardig de drie titels van de eerste Verslagen over supergeleiding op een rijtje te zetten: ‘De weerstand van zuiver kwik bij heliumtemperaturen’ (april), ‘het verdwijnen van de weerstand van kwik’ (mei) en ‘de sprong bij het verdwijnen van den weerstand bij kwik’ (november). Stap voor stap, echt Onnes.

Intussen stond Onnes' hoofd naar iets anders: toen hij bij 3,5 kelvin voor de kwikweerstand een bovengrens wilde vaststellen en een flinke stroom door de zeven u's joeg, vielen hem ‘bijzonderheden’ op, zoals hij veelbetekenend opmerkte.11 In zijn reguliere kerstbrief aan Waldemar Voigt in Göttingen zei Onnes dat de afname van de weerstand van kwik hem nog ‘een groot raadsel’ was.12

Ruim een jaar verstreek eer het volgende artikel over supergeleiding het licht zag. December 1911 had Onnes weliswaar deel vii in de serie ‘Over den galvanische weerstand bij zuivere metalen’, getiteld ‘de beweging der electriciteit door kwik beneden 4.o19 K’, aangeboden maar nadat de publicatie al was doorgeschoven naar het Akademieverslag van januari trok hij het artikel terug. Onnes was de bijzonderheden nog niet de baas, zoveel was duidelijk. Deel vii verscheen nu in afleveringen in februari, maart en mei 1913 en uit de omvang, bijna veertig bladzijden, mag blijken dat Onnes flink heeft zitten zwoegen op zijn bevroren kwik.13 Theoretische bespiegelingen over vibratoren moesten wijken voor een taai experimenteel gevecht. Dat gevecht werd extra bemoeilijkt omdat vloeibaar helium zelf al last genoeg gaf. In de loop van 1912 lekte door een fout al het helium weg en moest hij wachten tot de Welsbach Light Company hem opnieuw te hulp schoot.

De inleidende paragraaf van Mededeling 133 bevat een karakteristiek verslag van de toestand in kamer e':

Een dag van proefneming met vloeibaar helium eischt veel voorbereiding en gaf toen de hier behandelde proeven verricht werden en de laatste verbeteringen in de heliumciculatie nog niet waren aangebracht, slechts weinige uren gelegenheid tot de beoogde proeven. Om dan nauwkeurige metingen met het vloeibare helium te kunnen verrichten moet men vooraf een programma opgemaakt hebben, dat op den dag der proefneming juist als vastgesteld, vlug moet worden afgewerkt. Wijziging der proeven naar aanleiding van hetgeen men opmerkte moet meestal op een volgenden dag, waarop weder vloeibaar helium beschikbaar was, worden uitgesteld. Allicht was dan door tegenspoed bij het veel zorg en kunstvaardigheid eischende inrichten van de weerstanden, de heliumtoestel voor andere proeven in gebruik genomen. En wanneer dan eindelijk tot de proef kon worden overgegaan bezweek soms [...] de weerstand doordat bij het bevriezen de fijne kwikdraad in een der capillairen zich scheidde, en was alle voorbereiding verloren werk. Het opsporen en elimineeren van de reden van onverwachte en misleidende storingen [warmteontwikkeling in toevoerdraden en het optreden van thermospanningen tussen kwikbenen] heeft onder deze omstandigheden een langen tijd in beslag genomen.14

In de loop van 1912 schoof de restweerstand in de ‘suprageleidende toestand’, zoals Onnes het nieuwe effect doopte, verder omlaag. Bij 2,45 kelvin was de weerstand van een kwikdraad (hoogstens) 0,2 miljardste deel van die bij ooC. Om die grenswaarde vast te stellen werd de stroom zo hoog mogelijk gemaakt. De vraag of de weerstand van een supergeleider echt nul was, of dat er sprake was van een ‘microrestweerstand’, bleef onbeantwoord. Werd de stroom te hoog, dan verdween de supergeleiding, zich uitend in warmteontwikkeling in het kwik. Die maximale stroom hing af van de configuratie van de draad en nam toe bij lagere temperatuur. Sommige draden haalden in afgepompt helium 1200 ampère per mm2. Tot zijn verbazing ontdekte Onnes dat kwik dat verontreinigd was met goud, cadmium of amalgaam ook een supergeleider was - alle inspanningen het kwik te zuiveren bleken achteraf verspilde moeite. Ten slotte werd vastgesteld dat boven het sprongpunt de wet van Ohm gold.

December 1912 kreeg kwik als supergeleider gezelschap van tin en lood, metalen met sprongtemperaturen van 3,78 en circa 6 kelvin (een cryostaat voor het temperatuurgebied tussen vloeibaar helium en vloeibare waterstof was er nog niet). Geamalgameerd tin werd supergeleidend bij 4,29 kelvin, opmerkelijk genoeg een hogere sprongtemperatuur dan die van de bestanddelen tin en kwik. Tin en lood zijn door Onnes lang niet zo breed onderzocht als kwik.15 Wel waren uit deze metalen klosjes te wikkelen. Dat ging als volgt. Een messing kern werd met zuiver tin of lood bekleed en op de draaibank cilindrisch afgedraaid. Uit die cilindermantel sneed een beitel (een soort scheermesje) schroefvormig een draad van 0,01 mm2 die superieur was aan een getrokken exemplaar. Uit 1,75 meter draad (aaneengesmolten stukken) werden op glazen cilinders supergeleidende tin- of loodklosjes gewikkeld, met zijde om de windingen van elkaar te isoleren.

Direct bij het eerste tinklosje -300 windingen van 1/70 mm2; 1 cm hoog - deed zich een verrassing voor. Terwijl een rechte draad van die dikte in vloeibaar helium 8 ampère kon hebben, was het tinspoeltje al bij 1 ampère zijn supergeleiding kwijt. Onnes ging ervan uit dat eliminatie van ‘slechte plaatsen’ in het spoeltje (en dus betere warmtegeleiding) alsnog een fors hogere grensstroom zou opleveren. Het supergeleidende miniatuurklosje werd zo een ‘prototype van magneetklossen zonder ijzer’. Trok een normale magneet bij hoge veldsterktes zo veel stroom dat doorbranden dreigde (de ontwikkelde warmte kon niet snel genoeg weg), een supergeleidende spoel had dat probleem niet. De droom van Jean Perrin - een magneet van 100.000 gauss, gekoeld met vloeibare lucht - leek via supergeleiding werkelijkheid te worden. In normale omstandigheden vergde zo'n monstermagneet 1500 liter vloeibare lucht per uur (of 700 liter waterstof) aan koeling, wat (nog

afgezien van technisch onmogelijkheden) de Perrin-magneet even duur maakte als een oorlogsschip. Met een klos supergeleidend tin of lood was het opeens niet langer gekkenwerk.

In zijn rapportage aan het derde internationale koudecongres in Chicago, september 1913, rekende Onnes voor dat 10.000 gauss met een loodspoeltje van 1000 wikkelingen geen probleem hoefde te zijn, terwijl een spoeldiameter van 30 cm uitzicht gaf op 100.000 gauss.16 Wel vereiste dat formaat een grotere heliumcryostaat en een krachtiger heliumliquefactor ‘die met betrekkelijk bescheiden financiële steun in Leiden te realiseren zou zijn’ - prompt nam Claude in Chicago het initiatief tot een inschrijving die het Leidse laboratorium 100.000 franc moest opleveren. Wel wees Onnes op het effect dat een magnetisch veld de weerstand van een stroomdraad vergroot - de tweede helft van 1912 deed Bengt Beckman in Leiden uitvoerig onderzoek naar dit verschijnsel.17 Omdat Onnes ervan uitging dat bij supergeleiders alleen sterke velden iets te zien zouden geven, werd bij het Zwitserse Oerlikon een elektromagneet van 50 kilogauss besteld.

Over deze proeven werd februari 1914 bericht.18 Een loodklosje van 1000 windingen (1/70 mm2) om een holle messingkern van 1 cm diameter werd inductievrij gewikkeld (met dubbelgevouwen draad) zodat hij geen magneetveld opwekte. In een extern magneetveld van 10 kilogauss verdween de supergeleiding en kreeg het spoeltje opeens flinke weerstand. Bij 2 kelvin was het effect soortgelijk. Tegen de verwachting in verdween de supergeleiding zelfs al bij veel lagere velden: bij 4,25 kelvin volstond 600 gauss, bij 2 kelvin was het iets meer. Tin had een nog lager drempelveld. Wachten op de nieuwe elektromagneet was helemaal niet nodig geweest! Hoe dan ook, het droombeeld van een supergeleidende magneet van 100.000 gauss lag in duigen.

Voor Onnes stond als een paal boven water dat ‘drempelveld’ en ‘sprongtemperatuur’ aan elkaar gekoppeld waren: in beide gevallen kreeg de draad opeens weerstand. Ook de maximumstroom in een supergeleider kon ermee te maken hebben. Die laatste gedachte werd niet uitgewerkt en zo miste Onnes een kans voor open doel. In 1916 was het Francis Briggs Silsbee van het Bureau of Standards in Washington die na nauwgezette analyse van Onnes' data als eerste de ‘voor de hand liggende’ conclusie trok dat ‘de drempelwaarde [van de stroom] precies die omvang heeft waarbij het magnetisch veld dat de stroom opwekt gelijk is aan het kritische veld’.19 Anders gezegd: de ‘grensstroom’ staat niet op zichzelf maar is een directe afgeleide van het ‘grensveld’.

Als klap op de vuurpijl wist Onnes in een supergeleidende kring een persisterende stroom op te wekken.20 Het idee was bij hem opgekomen zodra

het supergeleidende kwik zich aandiende. Valt in een gesloten stroomkring de ‘pomp’ (bijvoorbeeld een batterij) weg, dan zakt de stroom snel in. Andersom zag Onnes in het meten van die inzaktijd (relaxatietijd) een methode om de microrestweerstand - waaraan hij nog steeds de voorkeur gaf boven een weerstand nul - van de supergeleider te achterhalen. Door al het gepuzzel en geploeter op storingen, foutenbronnen, sprongtemperaturen, -stromen en -velden, kwam hij pas in april 1914 toe aan de uitvoering van deze ‘zeer eenvoudige proef’. Het bekende loodklosje kwam ook nu weer goed van pas. Dat had bij kamertemperatuur een weerstand van 736 Ohm. Bij 1,8 kelvin lag dat getal minstens een factor 20 miljard lager en in combinatie met een zelfinductie van 10 millihenry gaf dat een halfwaardetijd (de tijd waarin de stroomsterkte halveert) van minstens een dag. Een hoopgevend getal.

De proef ging als volgt. Het spoeltje werd in de ‘droge’ heliumcryostaat geplaatst, de magnetische as horizontaal, waarna de externe elektromagneet werd aangezet. Daarmee kreeg het spoeltje magnetische veldlijnen opgedrongen, welke verandering werd tegengewerkt via een inductiestroom. Omdat het spoeltje normale weerstand bezat, doofde die inductiestroom snel uit. Vervolgens werd de cryostaat gevuld met helium, en werd de externe elektromagneet uitgeschakeld. Weer reageerde het loodklosje met een inductiestroom, die ditmaal standhield omdat het lood supergeleidend was. Deze persisterende stroom in het kortgesloten loodklosje verraadde zich via zijn magnetische werking op een kompasnaaldje direct buiten de cryostaat. Compensatie van dit effect via een hulpklosje leverde een geschatte persisterende stroom op van 0,5 à 0,6 ampère. Een uur lang werd het kompasnaaldje in de gaten gehouden. Binnen een marge van 10 procent, zo was de conclusie, bleef de stroom in het supergeleidende loodklosje op peil. Graag had Onnes het spektakel aan de Akademie gedemonstreerd, maar voorlopig zat de heliumcryostaat nog vast aan de -liquefactor.

De persisterende stroom sprak in al zijn eenvoud tot de verbeelding. ‘Al heeft men zich van de proef ook rekenschap gegeven,’ schreef Onnes, ‘zoo maakt het toch een diepen indruk het door Maxwell ontworpen beeld, thans aangevuld met de voorstelling der electronen, daarin zoo duidelijk verwezenlijkt te zien.’21

Een maand later werd de proef nog eens overgedaan, met hetzelfde supergeleidende loodklosje maar nu met twee vast opgestelde koperen compensatieklosjes die in vloeibare lucht waren gedompeld.22 De temperatuur was 2 kelvin, afgezien van korte periodes (om de paar uur) waarin het helium in de cryostaat werd bijgevuld. Als stroomsterkte werd 0,2 ampère gekozen, laag genoeg om te verzekeren dat ook bij 4,25 kelvin (de tempera-

tuur tijdens het bijvullen) de grenswaarde niet werd overschreden. Uitkomst van deze verbeterde proef was dat de stroom minder dan 1 procent per uur afnam, wat een halfwaardetijd van minstens vier dagen inhield.

Maar liep er werkelijk stroom in het loodklosje? Kon het niet zo zijn dat onbekende magnetische eigenschappen van bijvoorbeeld de messing cilindermantel van het klosje de inwerking op het magneetnaaldje buiten de cryostaat veroorzaakten? Dat Onnes zich niet in de luren had laten leggen, bleek uit een ingenieuze proef. Met een haakje aan een lang dun staafje dat uit de cryostaat stak trok de hoogleraar-directeur de sluitdraad van het spoeltje stuk, terwijl tegelijk een ballistische galvanometer de snel wegebbende stroom op 0,3 ampère vastpinde.23 Toen er op voorstel van Kuenen een supergeleidende seinsleutel kwam, viel die proef naar believen te herhalen. Ten slotte opperde Ehrenfest het idee om een dikke loden ring te nemen in plaats van een spoeltje: veel windingen parallel in plaats van in serie. In een ring met een inwendige diameter van 2,4 cm, 0,3 cm dik en 0,35 cm hoog realiseerde Onnes een persisterende stroom van 320 ampère.

Drie jaar was Onnes, geassisteerd door Holst en met technische ondersteuning van Flim en Kesselring, in de weer geweest met het experimenteel ontwarren, stap voor stap, van een complex nieuw fenomeen. Nuchtere, praktische vragen overheersten, wat betreft theorie waadde hij in de mist. De Planckse quanten werden er in 1911 direct bijgehaald maar al snel moest Onnes erkennen dat die theorie de sprong in de weerstand niet aankon. Alleen in het Akademieartikel van mei 1913 kwam het tot theoretische bespiegelinge - op de Solvay-congressen van 1921 en 1923 zou hij daar op voortborduren. Zo vroeg Onnes zich af of in de suprageleidende toestand elektronen nog wel een vrije weglengte hadden, of ze niet ‘telkens slechts een weg van moleculaire afmeting afleggen’. Dat idee sloot aan bij ‘de hypothese van [Johannes] Stark over het voortschuiven van het vakwerk der valentie electronen langs afschuivingsvakken der metaalkristallen’. Maar Niels Bohr had al laten zien dat Starks aanpak nergens toe leidde.24

Betere perspectieven leken weggelegd voor Willy Wien, die in 1913 het vrije elektron hoopte te verzoenen met quantumtheorie. Voor hoge temperatuur leverde dat een weerstand evenredig met de temperatuur op, bij lage temperatuur was er een kwadratisch verband - dat zonder experimentele ondersteuning bleef. Ook Keesom waagde zich aan een toepassing van quantumtheorie. Zijn beschouwing over het ideale eenatomige gas, inclusief nulpuntsenergie, liet hij los op vrije elektronen in metalen, immers ook een soort gas.25 Die aanpak voorkwam het vastvriezen van elektronen bij het absolute nulpunt, een kwaal van de elektronentheorie. Onnes, die zijn theoretisch conservator had verboden in laboratoriumtijd aan dit onderwerp te

werken, sprak in 1916 van ‘een zeer gelukkige greep’. Wilhelm Wiens hypothese dat bij afkoeling van metalen de snelheid van de elektronen niet onder een zeker minimum daalt, was door Keesom ‘plausibel’ gemaakt. Maar met supergeleiding kon Keesom niet uit de voeten, en hij was niet de enige. ‘Met de theoretische verklaring van de verschijnselen der suprageleiders is het tot dusver slecht gesteld,’ constateerde Crommelin in het gedenkboek van 1922. Pas in de jaren vijftig kreeg supergeleiding met de bcs-theorie - naar de drie opstellers Bardeen, Cooper en Schrieffer - een quantummechanische verklaring.

Coauteurschap versus bedankjes

Van april 1911 tot april 1914 publiceerde Onnes acht artikelen over suprageleiding. Steeds was hij enige auteur. Deed hij Holst tekort? Per slot van rekening was het Holst die, toen de weerstand in het kwik op een voorjaarsdag in 1911 wegviel, in het donker de galvanometer had zien uitslaan. ‘Aan het einde mijner mededeelingen over deze serie h van proefnemingen met vloeibaar helium gekomen,’ besloot Onnes mei 1913 het grote suprageleidingartikel, ‘wil ik mijn dank betuigen aan den Heer G. Holst, assistent bij het natuurkundig laboratorium voor de toewijding met welke hij mij daarbij heeft ter zijde gestaan en aan de Heeren G.J. Flim, bedrijfschef van het cryogeen laboratorium en O. Kesselring, glasblazer bij het natuurkundig laboratorium voor hun belangrijke hulp bij het inrichten der proeven en het vervaardigen der toestellen.’26 En het artikel van februari 1911 met weerstandsbepalingen van platina en goud in vloeibaar helium besloot Onnes als volgt: ‘Gaarne betuig ik mijn hartelijken dank aan den Heer C. Dorsman, die mij bij dit geheele onderzoek met veel oordeel terzijde stond en aan den Heer G. Holst die de metingen met de Wheatstonebrug met veel zorg verrichtte.’ Zeer correct, maar een coauteurschap zat er niet in.

Volgens Hendrik Casimir, die op het Philips NatLab in nauw contact met Holst stond, moet deze gang van zaken voor de jonge Holst ‘een teleurstelling’ zijn geweest - al sprak hij er nooit over en heeft hij er zich nooit over beklaagd.27 In zijn autobiografie Het toeval van de werkelijkheid ging Casimir nader op de kwestie in: ‘Zou iemand tegen Kamerlingh Onnes gezegd hebben,’ schreef hij,

dat Holst van begin af aan mede-auteur zou moeten zijn geweest en in elk geval als mede-ontdekker moest worden beschouwd, dan zou hij waarschijnlijk hoogst verwonderd zijn geweest. Hij had ervoor gezorgd dat er bij heliumtemperatuur kon worden gemeten, daar had Holst niet toe bijgedragen. Hijzelf had opdracht gegeven de elektrische weerstand van kwik te meten, gedeeltelijk in verband met

zijn eigen theoretische speculaties. Iedere competente fysicus die de opdracht zou hebben gekregen deze metingen uit te voeren, zou de supergeleiding hebben geconstateerd. Dat Holst zeer competent was wilde hij niet ontkennen; daarvoor had hij hem dan ook welverdiende dank betuigd.28
‘Dat zou dunkt me Kamerlingh Onnes' redenering zijn geweest,’ aldus Casimir, ‘en ze klinkt nogal overtuigend.’ Om eraan toe te voegen dat Holst volgens latere normen wél mede-auteur had moeten zijn, en dat Holst als NatLab-directeur er in dit opzicht een totaal andere politiek op na hield. Vanaf mei 1914 duikt Holst, die 2 januari dat jaar bij Philips aan de slag ging (dat scheelde een dag salaris29), wél op als auteur of coauteur van een handvol Communications (van experimenten uit 1913). Was die koerswijziging ingegeven door Onnes' belang bij goede verhoudingen met Eindhoven?

Hoe keek Onnes aan tegen auteurschap? Dat in het Natuurkundig Laboratorium ‘co-auteurschappen beperkt bleven tot de meer ervaren stafmedewerkers’,30 is onjuist. Tot 1906 publiceerden Onnes' assistenten hun onderzoeksresultaten in de Communications gewoon onder hun eigen naam, zonder Onnes erbij. Dat veranderde met de komst van Jolles, Braak, Fabius en Clay. Opeens is Onnes steeds eerste auteur, en de assistent tweede. Wanneer een buitenlander meedeed, zoals Becquerel, Mathias of Weiss, was Onnes tweede auteur. Maar er waren uitzonderingen. Toen Keesom in 1906 de theorie achter het barotropisch effect (het zinken van een gas in een vloeistof) onderzocht, mocht hij het resultaat onder eigen naam publiceren. Vier jaar later publiceerde Crommelin twee artikelen over argondampdrukken onder eigen naam, en W.J. de Haas genoot dat voorrecht in 1911 en 1912 voor zijn proeven met voluminometers. Daarna was het beeld gemengd: soms publiceerden assistenten onder eigen naam, soms was Onnes auteur, soms coauteur, en steeds vaker was hij tweede auteur en zijn assistent eerste.

Een aanbevelingsbrief voor Keesom uit 1916 laat zien hoe Onnes tegen deze zaken aankeek. ‘Waar iets experimenteels onder ons beider naam is gepubliceerd,’ aldus Onnes, ‘beteekent de toevoeging van mijn naam gewoonlijk niet veel meer dan dat het onderzoek zich beweegt op een gebied, waarop het werken door mij te Leiden mogelijk werd gemaakt; het doet aan Dr. Keesom's verdiensten in het totstandbrengen van zijn speciaal werk op dit gebied, waar de experimentator nog steeds met genoeg moeilijkheden te kampen heeft, niet af. Waar het door Dr. Keesom en mij samen gepubliceerde iets van meer theoretischen aard betreft, zoo is dergelijk werk uit den aard der zaak door ons samen opgezet, maar is de uitvoering steeds zijn werk geweest en veelal ook de ten slotte gekozen methode door hem geko-

zen.’31 Uit een eerdere aanbevelingsbrief, uit 1911: ‘Tot publiceeren onder zijn eigen naam kwam het alleen wanneer ik dit uitdrukkelijk verlangde.’32

Terug naar Holst. In het licht van het bovenstaande is het opvallend en bevreemdend dat hij bij de artikelen over suprageleiding geen coauteur mocht zijn. Speelde mee dat Holst nog niet gepromoveerd was, en dat hij niet in Leiden was opgeleid maar in Zürich? Ekko Oosterhuis, bij de degelijke Haga in Groningen gepromoveerd, publiceerde in 1912 wel onder eigen naam. Vond Onnes het regelen van weerstandsbanken en spiegelgalvanometers in een verduisterde zaal ver weg van de cryostaat met de supergeleider wel wat erg mager voor een coauteurschap? Later zou Onnes over Holst opmerken dat hij ‘lang geen Kuenen’ was. Zijn aanbeveling van Holst als Akademielid klonk zuinig: ‘Van zijn werkzaamheden in Leiden valt te vermelden, dat hij medewerkte bij de ontdekking der suprageleiding van metalen en bij het verdere onderzoek over suprageleiding.’33

Ronddraait, ronddraait, ronddraait

Hoe reageerde de wereld op supergeleiding? Japan was er vroeg bij. Op 12 september 1911 feliciteerde Hantaro Nagaoka, een hoogleraar natuurkunde uit Tokio die het jaar ervoor op zijn reis langs tientallen Europese instituten ook het cryogeen laboratorium had aangedaan, Onnes met zijn ‘briljante ontdekking van het hoge geleidingsvermogen van kwik in de buurt van het absolute nulpunt’.34 Dichter bij huis, op het eerste Solvay-congres in november, waren de reacties lauw. Uit de ene vraag die Onnes' presentatie van de suprageleiding in Brussel uitlokte spreekt weinig opwinding onder de toehoorders.

Veel enthousiaster was E. Lemaire in La revue générale du froid, het Franse tijdschrift voor koudetechniek.35 Na ontvangst in Parijs van de voorlopige Communications van april en mei 1911 over supergeleiding, vertrok hij spoorslags naar Leiden om zich van dit feit, dat hij zowel vanuit wetenschappelijk als technisch oogpunt ‘van het grootste belang’ achtte, in het cryogeen laboratorium door hoogleraar-directeur Kamerlingh Onnes zelf op de hoogte te laten stellen. In het artikel, dat september 1911 verscheen, komt de reuzenmagneet van Perrin direct aan bod. Zo'n supergeleidende spoel zonder warmteontwikkeling zou, aldus de auteur, door zijn immense veldsterkte ‘het atoom met geweld kunnen slechten’ en zo onze ‘kennis van de materie’ verhogen.

Diepe indruk maakte de persisterende stroom, die de theoretici voor grote raadsels plaatste: het verschijnsel botste met hun toenmalige beeld van de natuurkunde. Max Planck liet Onnes weten dat zijn ‘wonderlijke ontdekkingen van stromen zonder wrijving in Berlijn de grootst mogelijke aandacht

trekken.’36 Paul Ehrenfest, die getuige was van het experiment, liet Lorentz weten ondersteboven te zijn. ‘Ik heb in het laboratorium een fascinerend experiment bijgewoond,’ schreef hij april 1914 naar Haarlem. [...] ‘Vervreemdend, het effect van deze “permanente” stroom op een magneetnaaldje te zien. Het is bijna tastbaar hoe de ring van elektronen in de draad ronddraait, ronddraait, ronddraait - traag en haast wrijvingloos.’37

De waardering die er het meest toe deed was neergelegd in aanbevelingsbrieven aan het Nobelcomité. De ontdekking van de supergeleiding leidde, net als de liquefactie van het helium in 1908, in Stockholm tot nominaties van Kamerlingh Onnes voor de grote prijs. Won in 1912 - tot verbazing van vriend en vijand - de Zweedse uitvinder Nils Dalén, het jaar erna was het raak.


Vorige Volgende

Over het gehele werk

auteurs