Bedre superledere fra keramiske kobberoxider

Medicinsk magnetisk resonansbilleddannelse, højeffekt mikrobølgegeneratorer, superledende magnetiske energilagringsenheder, og solenoiderne i kernefusionsreaktorer er meget forskellige teknologier, som alle er kritisk afhængige af superledende materialers evne til at bære og lagre store elektriske strømme i et kompakt rum uden at overophede eller sprede store mængder energi.

På trods af deres ekstraordinære egenskaber, de fleste superledende materialer stiller deres egne krav, såsom behovet for at køle ned til temperaturen af ​​flydende helium til medicinske MRI'er. Stadig, superledere er så effektive sammenlignet med hverdagsmaterialer som kobber, at omkostningerne ved at køle dem ned med specielle kryogene kredsløb er ubetydelig sammenlignet med den energi, der spares ved at blive omdannet - og i sidste ende spildt - i form af varme, siger Riccardo Comin, en adjunkt i fysik.

"Når du prøver at køre en stor strøm gennem et konventionelt kredsløb som et, der er lavet af kobber, der vil være meget spredning til varme på grund af materialets begrænsede elektriske modstand, " siger han. "Og det er energi, der bare går tabt. Fordi superledere kan understøtte strøm af elektroner uden dissipation, betyder det, at du kan køre meget store strømme, kendt som superstrømme, gennem en superleder, uden at superlederen varmes op til høje temperaturer."

"Du kan injicere en strøm i en superleder og så bare lade den flyde, " siger Comin. "Så, en superleder kan grundlæggende fungere som et batteri, men i stedet for at lagre energi som en spændingsforskel, hvilket er, hvad du har i et lithium-ion-batteri, du lagrer energi i form af en superstrøm. Så kan du udtrække og bruge den strøm, og det er det samme som at trække opladning fra et batteri."

Det, der adskiller en superleder fra en konventionel leder, er, at i sidstnævnte, du skal anvende et potentiale mellem to forskellige punkter for at føre en strøm igennem, men i førstnævnte, du kan bare sætte strømmen i gang og derefter fjerne spændingen, lad systemet være som det er, og der vil være en vedvarende strøm gennem materialet.

Comin forklarer yderligere:"Du har iværksat et forslag, eller flow, af elektroner, som vil vare ved for evigt, beskyttet mod spredning af kvantemekanikkens love. Det er superflydende i den forstand, at strømmen af ​​elektroner ikke møder modstand, eller friktion. Selvom du fjerner den oprindelige kilde, der skabte det flow, det vil fortsætte ufortrødent som i en friktionsfri elektronisk væske."

Denne elektroniske superfluiditet er en kvantetilstand af stof, så det opfører sig på en meget eksotisk måde, der er anderledes end klassisk fysik, Comin siger. Det bliver allerede brugt i mange højeffektapplikationer, der kræver store strømme eller store magnetfelter.

Fordi superledere kan opretholde meget store strømme, de kan lagre meget energi i et relativt lille volumen. Men selv superledende materialer kan ikke opretholde grænseløse elektriske strømme, og de kan miste deres specielle egenskaber over en kritisk strømtæthed, hvilket er over 10 mega-ampere per kvadratcentimeter for topmoderne superledende kabler. Til sammenligning, kobber kan bære en maksimal strømtæthed på 500 ampere pr. kvadratcentimeter, hvilket er det samme som strømtætheden passeret gennem en 100-watt wolframtrådspære.

Mens disse kritiske strømme, hvor superledning slår fra, er kendt, hvad der sker på nanoskala inde i materialet, når det nærmer sig den kritiske tilstand er stadig ukendt, men det kan være nøglen til at konstruere bedre superledende kabler og enheder, med endnu højere modstandsdygtighed.

Comin var en af ​​tre MIT-forskere, der vandt et stipendium fra U.S. Air Force Young Investigator Research Program i efteråret. Det treårige, $450, 000-prisen vil give Comin mulighed for at forske i, hvad der sker med et bestemt superledende materiale, yttrium barium kobberoxid (YBCO), når det drives ved store strømme.

"At studere den elektriske respons af en superleder, når man driver en stor strøm gennem den, er afgørende for at karakterisere superledende kredsløb, men der er en masse mikroskopisk information om, hvad der sker inde i materialet, der er tilbage at afsløre, " siger han. "Superlederes fysik i nanoskala under driftsforhold, nemlig når store strømme føres igennem dem, er præcis det, vi er interesserede i at belyse."

"Dette er på en måde en ny retning, hvor vi ikke kun studerer materialet i dets uforstyrrede tilstand, Lad os sige, bare som en funktion af temperaturen, men uden at anvende nogen form for forstyrrelse som en strøm eller et felt. Nu bevæger vi os ind i en retning, hvor vi studerer, hvad der sker i materialer, når de drives under forhold med store strømme, som er meget tæt på dem, man ville finde inde i en enhed eller maskine baseret på disse superledende kredsløb, " forklarer Comin.

I modsætning til niobium-tin-legeringer, der kræver flydende heliumkøling (ca. 4 kelvin) i MRI-maskiner, YBCO superleder ved den noget højere temperatur af flydende nitrogen. Dette er væsentligt, fordi flydende nitrogen (ca. 77 kelvin, eller -320,4 grader Fahrenheit) er både mere rigeligt og betydeligt billigere at bruge end helium, Comin siger.

Men der er en anden pris at betale. Sammenlignet med et konventionelt metal eller leder som kobber, som er formbart og let at forme, YBCO er en skør keramik, der skal støbes i todimensionelle lag på en base, der ligner gammeldags kassettebånd.

"Det har en lagdelt struktur, så det danner todimensionelle atomark, der er svagt koblet mellem dem, og det er meget forskelligt fra, hvordan et konventionelt metal ville se ud, Comin siger. Comin vil studere materialet i sit laboratorium på MIT såvel som på National Laboratories, mens høj strøm påføres det omkring eller endda under flydende nitrogentemperaturer.

Selvom superledning tager over ved flydende nitrogentemperatur, da materialet udsættes for større og større elektriske felter, andre elektroniske tilstande, eller faser, såsom en ladningstæthedsbølge, begynde at konkurrere med superledning, før den ophører.

"Når du begynder at svække superledning, andre elektroniske faser begynder at vågne og de konkurrerer om at tage kontrol over materialet, " siger han. Han planlægger at undersøge, hvordan balancen skifter mellem den superledende fase og disse andre parasitiske faser, da superledning svækkes ved høje strømme.

"Begynder disse (andre faser) at tage over, eller forbliver de i dvale?" spørger Comin. "I et tilfælde elektroner ønsker at flyde uden dissipation, og i det andet tilfælde, de sidder fast og kan ikke bevæge sig rundt, som en bil i en trafikprop."

I stedet for at kunne bevæge sig frit, som de gør i en superleder, uden nogen form for dissipation, elektroner i en ladningstæthedsbølge har en tendens til at sidde i nogle regioner og blive der.

"Der er nogle områder, der har flere elektroner, nogle andre områder, der har færre elektroner, så hvis du prøver at visualisere den rumlige organisation af disse elektroner, du ser, at den på en måde vrikker som en bølge, " Comin forklarer. "Du kan forestille dig et landskab af sand krusninger på en klit. Hvad driver elektronerne til at organisere sig i en superflydende tilstand i stedet for at danne disse statiske, bølgelignende mønstre er ikke rigtig kendt, og det er det, vi håber at opdage under de kritiske forhold, hvor superlederen begynder at give efter for disse andre konkurrerende tendenser."

Det endelige mål med denne forskningsindsats er at belyse, hvordan en vedvarende strøm, eller superstrøm, strømmer rundt i ikke-superledende regioner, der er vært for konkurrerende faser, når sidstnævnte begynder at sprede sig nær kritiske forhold.

"I dette projekt støttet af Air Force Office for Scientific Research, vi håber at få ny indsigt i nanoskalafysikken i disse superledende enheder, indsigt, der kunne overføres til fremtidige superlederteknologier, " siger Comin.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.