Fysikere jager efter superledere ved stuetemperatur, der kan revolutionere verdens energisystem

Spildvarme er overalt omkring dig. I lille skala, hvis din telefon eller bærbare computer føles varm, det er fordi noget af den energi, der driver enheden, bliver omdannet til uønsket varme.

I større skala, elektriske net, såsom højspændingsledninger, mister over 5 % af deres energi i transmissionsprocessen. I en elindustri, der genererede mere end 400 milliarder USD i 2018, det er en enorm mængde spildte penge.

Globalt, Googles computersystemer, Microsoft, Facebook og andre kræver enorme mængder energi for at drive massive cloud-servere og datacentre. Endnu mere energi, til at drive vand- og luftkølesystemer, er påkrævet for at udligne den varme, der genereres af disse computere.

Hvor kommer denne spildvarme fra? Elektroner. Disse elementære partikler af et atom bevæger sig rundt og interagerer med andre elektroner og atomer. Fordi de har en elektrisk ladning, når de bevæger sig gennem et materiale - som metaller, som nemt kan lede elektricitet - de spreder andre atomer og genererer varme.

Superledere er materialer, der løser dette problem ved at tillade energi at strømme effektivt gennem dem uden at generere uønsket varme. De har et stort potentiale og mange omkostningseffektive applikationer. De kører magnetisk svævende tog, generere magnetiske felter til MRI-maskiner og er for nylig blevet brugt til at bygge kvantecomputere, selvom en fuldt fungerende en endnu ikke eksisterer.

Men superledere har et væsentligt problem, når det kommer til andre praktiske anvendelser:De fungerer ved ultralave temperaturer. Der er ingen superledere ved stuetemperatur. Den del af "rumtemperatur" er, hvad videnskabsmænd har arbejdet på i mere end et århundrede. Milliarder af dollars har finansieret forskning for at løse dette problem. Forskere over hele verden, inklusiv mig, forsøger at forstå superledernes fysik, og hvordan de kan forbedres.

Forståelse af mekanismen

En superleder er et materiale, såsom et rent metal som aluminium eller bly, at når den afkøles til ultralave temperaturer tillader elektricitet at bevæge sig igennem den med absolut nul modstand. Hvordan et materiale bliver en superleder på mikroskopisk niveau er ikke et simpelt spørgsmål. Det tog det videnskabelige samfund 45 år at forstå og formulere en vellykket teori om superledning i 1956.

Mens fysikere forskede i en forståelse af mekanismerne bag superledning, kemikere blandede forskellige grundstoffer, såsom det sjældne metal niobium og tin, og prøvede opskrifter styret af andre eksperimenter for at opdage nye og stærkere superledere. Der var fremskridt, men mest inkrementelle.

Kort fortalt, superledning opstår, når to elektroner binder sammen ved lave temperaturer. De danner byggestenen af ​​superledere, Cooper-parret. Elementær fysik og kemi fortæller os, at elektroner frastøder hinanden. Dette gælder selv for en potentiel superleder som bly, når den er over en vis temperatur.

Når temperaturen falder til et vist punkt, selvom, elektronerne bliver mere modtagelige for parring. I stedet for at den ene elektron står imod den anden, en slags "lim" kommer frem for at holde dem sammen.

Holder stoffet køligt

Opdaget i 1911, den første superleder var kviksølv (Hg), grundelementet i gammeldags termometre. For at kviksølv kan blive en superleder, det skulle afkøles til ultralave temperaturer. Kamerlingh Onnes var den første videnskabsmand, der fandt ud af præcis, hvordan man gør det - ved at komprimere og gøre heliumgas flydende. Under processen, når heliumgas bliver en væske, temperaturen falder til -452 grader Fahrenheit.

Da Onnes eksperimenterede med kviksølv, han opdagede, at når den blev anbragt i en flydende heliumbeholder og afkølet til meget lave temperaturer, dens elektriske modstand, modsætningen af ​​den elektriske strøm i materialet, pludselig faldt til nul ohm, en måleenhed, der beskriver modstand. Ikke tæt på nul, men præcis nul. Ingen modstand, intet varmespild.

Det betød, at en elektrisk strøm, en gang genereret, ville flyde uafbrudt uden noget til at stoppe det, i hvert fald i laboratoriet. Mange superledende materialer blev hurtigt opdaget, men praktiske anvendelser var en anden sag.

Disse superledere delte ét problem - de skulle køles ned. Mængden af ​​energi, der var nødvendig for at køle et materiale ned til dets superledende tilstand, var for dyrt til daglige anvendelser. I begyndelsen af ​​1980'erne, forskningen i superledere var næsten nået til sin konklusion.

En overraskende opdagelse

I en dramatisk vending af begivenhederne, en ny slags superledermateriale blev opdaget i 1987 hos IBM i Zürich, Schweiz. Inden for måneder, superledere, der opererede ved mindre ekstreme temperaturer, blev syntetiseret globalt. Materialet var en slags keramik.

Disse nye keramiske superledere var lavet af kobber og ilt blandet med andre elementer såsom lanthan, barium og vismut. De modsagde alt, hvad fysikere troede, de vidste om at lave superledere. Forskere havde ledt efter meget gode dirigenter, alligevel var disse keramik næsten isolatorer, hvilket betyder, at meget lidt elektrisk strøm kan strømme igennem. Magnetisme ødelagde konventionelle superledere, alligevel var disse selv magneter.

Forskere ledte efter materialer, hvor elektroner frit kunne bevæge sig rundt, dog i disse materialer, elektronerne blev låst inde og indespærret. Forskerne ved IBM, Alex Müller og Georg Bednorz, havde faktisk opdaget en ny slags superleder. Disse var højtemperatur superledere. Og de spillede efter deres egne regler.

Undvigende løsninger

Forskere har nu en ny udfordring. Tre årtier efter at højtemperatur-superlederne blev opdaget, vi kæmper stadig med at forstå, hvordan de virker på det mikroskopiske niveau. Kreative eksperimenter udføres hver dag på universiteter og forskningslaboratorier rundt om i verden.

I mit laboratorium, vi har bygget et mikroskop kendt som et scanning tunneling mikroskop, der hjælper vores forskerhold med at "se" elektronerne på overfladen af ​​materialet. Dette giver os mulighed for at forstå, hvordan elektroner binder og danner superledning på atomær skala.

Vi er nået langt i vores forskning og ved nu, at elektroner også parrer sig i disse højtemperatursuperledere. Der er stor værdi og nytte i at svare på, hvordan højtemperatur-superledere fungerer, fordi det kan være vejen til stuetemperatur-superledning. Hvis det lykkes os at lave en stuetemperatur superleder, så kan vi tage fat på de milliarder af dollars, som det koster i spildvarme at overføre energi fra kraftværker til byer.

Mere bemærkelsesværdigt, solenergi høstet i de enorme tomme ørkener rundt om i verden kunne lagres og transmitteres uden tab af energi, som kunne drive byer og dramatisk reducere udledningen af ​​drivhusgasser. Potentialet er svært at forestille sig. At finde limen til stuetemperatur superledere er det næste million-dollar spørgsmål.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.