Forskning fjerner misforståelse af superledning i niobforbindelse

I over 65 år har niobiumborid (NbB) er blevet betragtet som et klassisk eksempel på et superledende materiale. Denne antagelse, registreret i manualer om kondenseret materiens fysik og artikler i videnskabelige tidsskrifter, er nu blevet bestridt i en undersøgelse foretaget af forskere ved University of São Paulo (USP) i Brasilien og ved San Diego State University i USA.

I en artikel offentliggjort i Materialer til fysisk gennemgang , forskerne viser, at den hidtil konstaterede superledning ikke var på grund af NbB. De superledende egenskaber var forbundet med filamenter af næsten rent niob, der slingrede rundt om kornene af NbB i de undersøgte prøver.

Hovedforsker for undersøgelsen var Renato de Figueiredo Jardim fra University of São Paulo. "Vi ved, at elementet niobium (Nb) i sig selv er superledende, når det afkøles til meget lave temperaturer i intervallet 9,2 kelvin, "Sagde Jardim." Nu, vi har opdaget, at dette ikke er tilfældet for NbB. Prøver af NbB indeholder en stor volumetrisk brøkdel af NbB, men også en lille mængde næsten rent Nb. To forskellige krystallinske faser sameksisterer i de undersøgte materialer. Denne minoritetsfase, omfattende cirka 98 procent niob og 2 procent bor, er det, der opfører sig som en superleder. "

I elektronmikroskopets billeder gengivet i artiklen, de hvide filamenter svarer til minoritetsfasen bestående af cirka 98 procent niob og 2 procent bor. Notationen, der bruges til at karakterisere denne sammensætning, er Nb _0,98 B _0,02 . De grå områder, svarende til den større volumetriske fraktion, er NbB.

Forfatterne bemærker, at selvom det forekommer i en lille volumetrisk brøkdel, minoritetsfasen (Nb _0,98 B _0,02 ) er superledende og danner et tredimensionelt net, hvorigennem den elektriske strøm kan passere fra den ene ekstremitet af materialet til den anden. Denne funktion har stor sandsynlighed for at have vildledt forskere, der tidligere har undersøgt NbB, der således fandt materialet til at være superledende ved temperaturer under cirka 9 kelvin.

Som Jardim forklarer, identifikationen af ​​NbB gitterstruktur ved at scanne elektronmikroskopi gav et kvalitativt bevis på ejendommen baseret på visuelt bevis. "Men dette punkt alene var utilstrækkeligt til at bekræfte vores hypotese, "bemærkede han." Vi måtte gå videre på jagt efter kvantitativt bevis. Vi gjorde det ved at anvende en termodynamisk model på dataene taget fra de undersøgte materialer, og på denne måde, vi fik det bevis, vi søgte. "

Fra det makroskopiske synspunkt, superledning er en egenskab ved visse materialer, der, når den afkøles under en given temperatur, lede elektricitet uden energitab - dvs. med nul elektrisk modstand.

De teknologiske anvendelser af superledning er temmelig velkendte i dag. Hovedapplikationen er i spoler lavet med superledende ledning. Når en sådan spole er afkølet og termisk isoleret, en påført elektrisk strøm strømmer igennem det på ubestemt tid, at generere magnetfelter uden energispredning. Denne form for enhed bruges til udstyr til magnetisk resonansbilleddannelse (MRI), som er blevet dagligdag.

"Teknologien har udviklet sig meget i de seneste år, "Sagde Jardim." En særlig type vakuumkolbe kaldet dewar bruges til kryogen opbevaring med en indre temperatur på niveau med flydende helium, hvilket er 4,2 kelvin (cirka minus 270 ° C). Disse dewars er kommercielt tilgængelige og kan bruges til at nedkøle superledende spoler. "

Ifølge Jardim, ingen teknologiske applikationer er i øjeblikket planlagt til NbB. Imidlertid, han siger, "En 'fætter' til NbB, magnesiumdiborid (MgB ₂ ), har vakt stor interesse siden i det sidste årti. Vores forskning kan bidrage til dens teknologiske anvendelse. "

Superledere og diamagnetisme

Ved siden af ​​denne makroskopiske ejendom, Jardim siger, der er en anden makroskopisk egenskab kaldet "perfekt, "hvorved superlederens indre magnetfelt er fuldstændig udelukket, når materialet placeres i et eksternt magnetfelt.

Diamagnetisme er til stede i alle materialer. Imidlertid, den er ofte så svag, at dens manifestation er maskeret af andre, mere robuste magnetiske reaktioner, såsom ferromagnetisme, hvor materialet tiltrækkes af et eksternt magnetfelt, og paramagnetisme, hvor materialets atomiske magnetiske dipoler flugter parallelt med det ydre magnetfelt.

Når den diamagnetiske reaktion er tilstrækkelig stærk, som i en superleder, frastødningen på grund af magnetfeltet kan få materialet til at svæve. Dette fænomen er for nylig blevet berømt. "Diamagnetisme kan ses som generering af en strøm på overfladen af ​​materialet, der resulterer i et magnetfelt af samme størrelse som det ydre magnetfelt, der påføres, men virker i den modsatte retning. Det er som om materialet udstødes fra dets inde i magnetfeltet, hvori det er nedsænket, "Forklarede Jardim.