Ny metode giver højere overgangstemperatur i superledende materialer

Forskere fra University of Houston har rapporteret en ny måde at hæve overgangstemperaturen på superledende materialer, øger den temperatur, som superlederne er i stand til at fungere ved.

Resultaterne, rapporteret i Proceedings of the National Academy of Sciences , foreslå en tidligere uudforsket vej til at opnå superledning ved højere temperaturer, hvilket giver en række potentielle fordele for energiproducenter og forbrugere.

Elektrisk strøm kan bevæge sig gennem superledende materialer uden modstand, mens traditionelle transmissionsmaterialer mister så meget som 10 procent af energien mellem den genererende kilde og slutbrugeren. At finde superledere, der arbejder ved eller nær stuetemperatur - nuværende superledere kræver brug af et kølemiddel - kunne give forsyningsselskaber mulighed for at levere mere elektricitet uden at øge den nødvendige mængde brændstof, reducere deres CO2-fodaftryk og forbedre pålideligheden og effektiviteten af ​​elnettet.

Overgangstemperaturen steg eksponentielt for de materialer, der blev testet med den nye metode, selvom det forblev under stuetemperatur. Men Paul C.W. Chu, chefforsker ved Texas Center for Superconductivity ved UH (TcSUH) og tilsvarende forfatter til papiret, sagde metoden tilbyder en helt ny måde at nærme sig problemet med at finde superledere, der arbejder ved en højere temperatur.

Chu, en fysiker og TLL Temple Chair of Science ved UH, sagde den nuværende rekord for en stabil højtemperatur superleder, sat af hans gruppe i 1994, er 164 Kelvin, eller omkring -164 Fahrenheit. Den superleder er kviksølv-baseret; de vismutmaterialer, der er testet til det nye arbejde, er mindre giftige, og uventet nå en overgangstemperatur over 90 Kelvin, eller omkring -297 Fahrenheit, efter første forudsagte fald til 70 Kelvin.

Værket tager sigte på det veletablerede princip om, at overgangstemperaturen for en superleder kan forudsiges gennem forståelsen af ​​forholdet mellem denne temperatur og doping - en metode til at ændre materialet ved at indføre små mængder af et grundstof, der kan ændre dets elektriske egenskaber - eller mellem den temperatur og det fysiske tryk. Princippet er, at overgangstemperaturen stiger op til et vist punkt og derefter begynder at falde, også selvom dopingen eller trykket fortsætter med at stige.

Liangzi Deng, en forsker ved TcSUH, der arbejder med Chu og førsteforfatter på papiret, kom på ideen om at øge trykket ud over de tidligere undersøgte niveauer for at se, om den superledende overgangstemperatur ville stige igen efter et fald.

Det virkede. "Dette viser virkelig en ny måde at hæve den superledende overgangstemperatur på, " sagde han. Det højere tryk ændrede Fermi-overfladen af ​​de testede forbindelser, og Deng sagde, at forskerne mener, at trykket ændrer materialets elektroniske struktur.

Superlederprøverne, de testede, er mindre end en tiendedel millimeter brede; forskerne sagde, at det var udfordrende at detektere det superledende signal fra en så lille prøve fra magnetiseringsmålinger, den mest definitive test for superledning. I løbet af de sidste par år, Deng og hans kolleger i Chu's laboratorium udviklede en ultrafølsom magnetiseringsmålingsteknik, der gør det muligt for dem at detektere et ekstremt lille magnetisk signal fra en superledende prøve under tryk over 50 gigapascal.

Deng bemærkede, at i disse tests, forskerne observerede ikke et mætningspunkt - dvs. overgangstemperaturen vil fortsætte med at stige, når trykket stiger.

De testede forskellige bismuthforbindelser kendt for at have superledende egenskaber og fandt ud af, at den nye metode væsentligt hævede overgangstemperaturen for hver enkelt. Forskerne sagde, at det ikke er klart, om teknikken ville fungere på alle superledere, selvom det lover lovende, at det fungerede på tre forskellige formuleringer.

Men at øge superledningsevnen gennem højt tryk er ikke praktisk til virkelige applikationer. Det næste skridt, Chu sagde, vil være at finde en måde at opnå samme effekt med kemisk doping og uden tryk.