Knækker mysteriet om perfekt superledereffektivitet

I 1911, fysiker Heike Kamerlingh Onnes havde til formål at sænke kviksølvets temperatur til så tæt på absolut nul som muligt. Han håbede at vinde en uenighed med Lord Kelvin, der troede, at metaller helt ville stoppe med at lede elektricitet ved ekstremt lave temperaturer. Omhyggeligt manipulere et sæt glasrør, Kamerlingh Onnes og hans team sænkede kviksølvets temperatur til 3 K (-454 F). Pludselig, kviksølv ledte elektricitet med nul modstand. Kamerlingh Onnes havde netop opdaget supraledelse.

Dette eneste fund førte til en verdensomspændende undersøgelse, der strakte sig over et århundrede. Selvom det løste en videnskabelig debat, det skabte mange flere. Department of Energy's Office of Science og dets forgængere har brugt årtier på at støtte forskere med at undersøge mysteriet om, hvorfor superledelse opstår under forskellige omstændigheder.

Svaret på dette spørgsmål rummer store muligheder for videnskabelig og teknologisk udvikling. Omkring seks procent af al elektricitet, der distribueres i USA, går tabt i transmission og distribution. Fordi superledere ikke mister strøm, da de leder elektricitet, de kunne muliggøre ultraeffektive strømnet og utrolig hurtige computerchips. Ved at vikle dem ind i spoler produceres magnetfelter, der kan bruges til højeffektive generatorer og højhastigheds magnetiske levitationstog. Desværre, tekniske udfordringer med både traditionelle og "høje temperaturer" superledere begrænser deres anvendelse.

"I det omfang Tesla og Edison introducerede brugen af ​​elektricitet revolutionerede vores samfund, omgivende superledning ville revolutionere det igen, "sagde J.C. Séamus Davis, en fysiker, der arbejder med Center for Emergent Superconductivity, et DOE Energy Frontier Research Center.

Superledningens hvordan og hvorfor

Kamerlingh Onnes 'opdagelse satte gang i en strøm af aktivitet. På trods af hans store visioner, det meste af det, forskere fandt, forstærkede kun superlederes begrænsninger.

Et af de første store gennembrud kom næsten et halvt århundrede efter Kamerlingh Onnes 'første fund. Mens de fleste forskere troede, at superledning og magnetisme ikke kunne eksistere samtidigt, Alexei A. Abrikosov foreslog "Type II" superledere, der kan tåle magnetfelter i 1952. Abrikosov fortsatte sin forskning på DOE's Argonne National Laboratory (ANL) og vandt senere Nobelprisen i fysik for sine bidrag.

Det næste store spring kom i 1957, da John Bardeen, Leon Cooper, og John Robert Schrieffer foreslog den første teori om, hvorfor superledning opstår. Deres teori, muliggjort af støtte fra DOE's forgænger, Atomenergikommissionen, vandt dem også Nobelprisen i fysik.

Deres teori står i kontrast til, hvordan nogle metaller fungerer under normale forhold med, hvordan de virker ved ekstremt lave temperaturer. Normalt, atomer er pakket sammen i metaller, danner regelmæssige gitter. Ligesom Tinkertoys eger og stænger, metallernes positivt ladede ioner er bundet sammen. I modsætning, negativt ladede frie elektroner (elektroner ikke bundet til en ion) bevæger sig uafhængigt gennem gitteret.

Men ved ekstremt lave temperaturer, forholdet mellem elektronerne og det omgivende gitter ændres. En fælles opfattelse er, at elektronernes negative ladninger svagt tiltrækker positive ioner. Som en der trækker i midten af ​​et gummibånd, denne svage attraktion trækker lidt positive ioner på plads i gitteret. Selvom den originale elektron allerede er gået forbi, de nu forskudte positive ioner tiltrækker derefter lidt andre elektroner. På nær absolut nul, tiltrækning fra de positive ioner får elektroner til at følge stien til dem foran dem. I stedet for at rejse selvstændigt, de parrer sig i par. Disse par flyder let gennem metal uden modstand, forårsager superledning.

Opdager helt nye superledere

Desværre, alle de superledere, som forskere havde fundet, fungerede kun nær absolut nul, den koldeste teoretisk mulige temperatur.

Men i 1986, Georg Bednorz og K. Alex Müller hos IBM opdagede kobberbaserede materialer, der bliver superledende ved 35 K (-396 F). Andre forskere øgede disse materialers superledende temperatur til tæt på 150 K (-190 F), gør det muligt for forskere at bruge temmelig almindeligt flydende nitrogen til at afkøle dem.

I det sidste årti, forskere i Japan og Tyskland opdagede yderligere to kategorier af høj temperatur superledere. Jernbaserede superledere eksisterer under lignende forhold som kobberbaserede, mens hydrogenbaserede kun eksisterer ved tryk mere end en million gange jordens atmosfære.

Men interaktioner mellem elektronpar og ioner i metalgitteret, som Bardeen, Cooper, og Schrieffer beskrevet kunne ikke forklare, hvad der skete i kobber- og jernbaserede høj temperatur superledere.

"Vi blev kastet ud i en knibe, "sagde Peter Johnson, en fysiker ved Brookhaven National Laboratory (BNL) og direktør for Center for Emergent Superconductivity. "Disse nye materialer udfordrede alle vores eksisterende ideer om, hvor vi skulle lede efter nye superledere."

Udover at være videnskabeligt spændende, denne gåde åbnede et nyt område af potentielle applikationer. Desværre, industrien kan kun bruge "høj temperatur" superledere til højt specialiserede applikationer. De er stadig for komplekse og dyre at bruge i hverdagssituationer. Imidlertid, at finde ud af, hvad der gør dem forskellige fra traditionelle, kan være afgørende for at udvikle superledere, der arbejder ved stuetemperatur. Fordi de ikke ville kræve køleudstyr og kunne være lettere at arbejde med, superledere ved stuetemperatur kunne være billigere og mere praktiske end dem, der er tilgængelige i dag.

En fælles karakteristik

Flere sæt eksperimenter støttet af Office of Science får os tættere på at finde ud af, hvad hvis noget, Højtemperatur superledere har tilfælles. Beviser tyder på, at magnetiske interaktioner mellem elektroner kan være afgørende for, hvorfor der opstår høj temperatur superledning.

Alle elektroner har et spin, skaber to magnetiske poler. Som resultat, elektroner kan fungere som små køleskabsmagneter. Under normale forhold, disse poler er ikke orienteret på en bestemt måde og interagerer ikke. Imidlertid, kobber- og jernbaserede superledere er forskellige. I disse materialer, spinnene på tilstødende jernsteder har nord- og sydpoler, der skifter retning - orienteret nord, syd, nord, syd og så videre.

Et projekt støttet af Center for Emergent Superconductivity undersøgte, hvordan rækkefølgen af ​​disse magnetiske poler påvirkede deres interaktioner. Forskere teoretiserede, at fordi magnetiske poler allerede pegede i modsatte retninger, det ville være lettere end normalt for elektroner at parre sig. For at teste denne teori, de korrelerede både styrken af ​​bindinger mellem elektroner (elektronparrenes styrke) og retningen af ​​deres magnetisme. Med denne teknik, de gav betydelige eksperimentelle beviser for forholdet mellem superledning og magnetiske interaktioner.

Andre forsøg på en række af DOE's nationale laboratorier har yderligere forstærket denne teori. Disse observationer opfyldte forskernes forventninger til, hvad der skulle ske, hvis superledning og magnetisme er forbundet.

Forskere ved ANL observerede, at en jernbaseret superleder går gennem flere faser, før den når en superledende tilstand. Da forskere afkølede materialet, jernatomer gik fra en firkantet struktur til en rektangulær og derefter tilbage til en firkantet. Langs vejen, der var en større ændring i elektronernes magnetiske poler. Mens de oprindeligt var tilfældige, de antog en bestemt rækkefølge lige før de nåede superledning.

På DOE's Ames Laboratory, forskere fandt ud af, at tilføjelse eller fjernelse af elektroner fra et jernbaseret superledende materiale ændrede retningen i, hvor elektricitet lettere flød. Forskere ved BNL observerede, at superledning og magnetisme ikke kun eksisterer samtidigt, men faktisk svinge sammen i et almindeligt mønster.

Desværre, elektroninteraktioners komplekse natur gør det svært at præcisere, hvilken rolle de spiller i superledelse.

Forskning på BNL fandt ud af, at da forskere afkølede et jernbaseret materiale, elektronspins retning og deres forhold til hinanden ændrede sig hurtigt. Elektronerne byttede partnere lige før materialet blev superledende. Tilsvarende forskning ved ANL har vist, at elektroner i jernbaserede superledere producerer "bølger" af magnetisme. Fordi nogle af de magnetiske bølger annullerer hinanden, kun halvdelen af ​​atomerne viser magnetisme på én gang.

Disse fund giver ny indsigt i, hvorfor superledere opfører sig, som de gør. Forskning har besvaret mange spørgsmål om dem, kun for at få nye frem. Mens laboratorier er kommet langt fra Kamerlingh Onnes 'håndblæste udstyr, forskere fortsætter med at debattere mange aspekter af disse unikke materialer.