Superledere:Modstand er forgæves

Hvert standard kabel, hver ledning, hver elektronisk enhed har en vis elektrisk modstand. Der er, imidlertid, superledende materialer med evnen til at lede elektrisk strøm med en modstand på nøjagtigt nul - i hvert fald ved meget lave temperaturer. At finde et materiale, der opfører sig som en superleder ved stuetemperatur, ville være et videnskabeligt gennembrud af utrolig konceptuel og teknologisk betydning. Det kan føre til en lang række nye applikationer, fra svævende tog til nye billeddannelsesteknologier til medicin.

Det er ekstremt vanskeligt at søge efter superledere ved høj temperatur, fordi mange af de kvanteeffekter, der er relateret til superledning, endnu ikke er godt forstået. Professor Neven Barišic, professor i solid state fysik ved TU Wien (Wien) udfører eksperimenter med cuprates, en klasse materialer, der opfører sig som en superleder ved rekordtemperaturer helt op til 140K ved omgivelsestryk. Barišic og hans kolleger er nu kommet med et bemærkelsesværdigt sæt resultater og ny indsigt, der kan ændre vores måde at tænke på disse komplekse materialer og høj temperatur superledning generelt.

"Fænomenet højtemperatur-superledning er blevet grundigt undersøgt i årtier, men ingen har revnet problemet endnu, "siger Neven Barišic." Ganske få materialer viser superledende adfærd ved temperaturer tæt på absolut nul, og vi forstår, hvorfor dette sker i nogle af dem. Men den virkelige udfordring er at forstå superledning i cuprates, hvor denne tilstand vedvarer ved meget højere temperaturer. Et materiale, der opfører sig som en superleder ved stuetemperatur, ville være den hellige gral i fysik i fast tilstand - og vi kommer tættere og tættere på. "

Barišic og hans kolleger har vist, at der er to fundamentalt forskellige slags ladningsbærere i cuprates, og foreslog, at superledelse afgørende afhænger af det subtile samspil mellem dem.

Noget af den elektriske ladning er lokaliseret - hver af disse ladningsbærere sidder ved et bestemt sæt atomer og kan kun bevæge sig væk, hvis materialet opvarmes. Andre ladebærere kan flytte, hoppe fra et atom til et andet. Det er mobilladningen, der i sidste ende bliver superledende, men superledningsevne kan kun forklares ved også at tage hensyn til de ubevægelige ladningsbærere.

"Der er interaktion mellem mobilen og de ubevægelige ladningsbærere, som styrer systemets egenskaber, "siger Barišic." Tilsyneladende de ubevægelige ladninger fungerer som limen, binder par mobile ladningsbærere sammen, skabe såkaldte Cooper-par, som er grundtanken bag klassiske superledere. Når de er parret, kan ladningsbærerne blive superledende, og materialet kan transportere strømmen med nul modstand. "

Det betyder, at for at opnå superledning, der skal være en subtil balance mellem mobile og immobile ladningsbærere. Hvis der er for få lokaliserede ladningsbærere, så er der ikke nok "lim" til at parre de mobile ladningsbærere. Hvis, på den anden side, der er for få mobilladningsbærere, så er der ikke noget for "limen" at parre. I begge tilfælde, superledelse svækkes eller stopper helt. Ved optimal mellemvej fortsætter superledningen ved bemærkelsesværdigt høje temperaturer. Det var udfordrende at forstå, at balancen mellem mobile og immobile afgifter ændres, som en funktion af temperatur eller doping, på en gradvis måde.

"Vi har udført mange forskellige eksperimenter med cuprates, indsamling af store mængder data. Og endelig, vi kan nu foreslå et omfattende fænomenologisk billede for supraledelse i cuprates, "siger Neven Barisic. Han har for nylig offentliggjort sine resultater i flere tidsskrifter - senest i Videnskab fremskridt - der viser, at superledning også fremtræder gradvist. Dette er et vigtigt skridt mod målet om at forstå cuprates og give en måde at søge efter nye, endnu bedre superledere.

Hvis det blev muligt at skabe materialer, der forbliver superledere selv ved stuetemperatur, dette ville have vidtrækkende konsekvenser for teknologien. Der kunne bygges elektroniske enheder, der næsten ikke bruger nogen energi. Svævende tog kunne konstrueres, ved hjælp af ekstremt stærke superledende magneter, så billigt, ultrahurtig transport ville blive mulig. "Vi er endnu ikke nær dette mål, "siger Neven Barisic." Men en dyb forståelse af høj temperatur superledning ville bane vejen for at komme dertil. Og, Jeg tror, at vi nu har taget flere vigtige skridt i denne retning. "