Strækning gør superlederen

Når folk forestiller sig "nye materialer, "de tænker typisk på kemi. Men UConn -fysikeren Ilya Sochnikov har et andet forslag:mekanik.

Sochnikov arbejder med superledere. Superledere er materialer, der lader elektricitet strømme uden at miste energi. I en normal leder - sig f.eks. en kraftledning - elektrisk strøm bliver gradvist reduceret af friktion og tab. Vi mister hele 90% af den elektricitet, vi producerer på denne måde. Men en elektrisk strøm kunne flyde gennem et superledende kredsløb for evigt, uforanderlig. Praktiske superledere ville lave strømnet og mange enheder, herunder nye computere, meget mere energieffektiv.

Kemikere og metallurger har eksperimenteret med forskellige kombinationer af elementer i årevis, forsøger at få superledere, der arbejder ved temperaturer tæt på stuetemperatur (de fleste superledere fungerer kun, når de er superkolde.) Ideen er at finde på den perfekte kombination af elementer, der vil have præcis den rigtige massefylde af elektroner, ved de rigtige energier. Når det sker, elektroner parrer sig og bevæger sig gennem materialet på en synkroniseret måde, selv ved temperaturer over 77 grader Kelvin, som er temperaturen af ​​flydende nitrogen. Det betragtes som en høj temperatur superleder, fordi flydende nitrogen er billigt at producere og kan bruges som kølemiddel. Men at finde den rigtige kemi til at lave nye og bedre højtemperatur superledere har været undvigende.

Sochnikov og hans elever tænker anderledes over det. Hvad hvis mekaniske ændringer som klemning eller strækning kunne gøre et materiale til en superleder? Ændring af kemien handler i sidste ende om at ændre arrangementet af atomer og elektroner i et materiale. Mekaniske belastninger kan gøre det samme, på en anden måde.

Sammen med fysikafdelingsstuderende Chloe Herrera, Jonah Cerbin, Donny Davino, og Jacob Franklin, Sochnikov designede en maskine til at strække et lille stykke superleder for at se, hvad der ville ske. De valgte strontiumtitanat, et velkendt materiale, der bruges i højteknologiske elektronikapplikationer som store og næsten perfekte krystaller, som bliver en superleder omkring 0,5 grader Kelvin. Det er latterligt koldt, koldere end end flydende helium. Men strontiumtitanat opfører sig på en meget underlig måde, når det er så koldt. Dens atomer polariserer; det betyder, at de alle svinger synkront. Du kan forestille dig, at de hopper blidt op og ned, allesammen. Disse svingninger har en tendens til at kæde elektroner sammen, hjælpe dem med at bevæge sig som et par - det er nok det, der gør det til superledelse.

Sochnikov og eleverne i gruppen vidste, at strækning af strontiumtitanat ville ændre, hvordan dets atomer svingede. At, på tur, kan ændre elektronernes bevægelse. Maskinen, der strækker krystallen, er fremstillet af kobber for at lede varme væk fra krystallen. De fleste af resten af ​​arbejdet er belagt med guld for at reflektere varme udefra. Det bruger tre cylindre til at afkøle materialet; først til temperaturen af ​​flydende nitrogen (70K), derefter flydende helium (4K), derefter til en kogende blanding af helium-3 og helium-4 (på grund af mærkelige kvanteeffekter, det er endnu koldere end almindeligt flydende helium - bare et par tusindedele af Kelvin! Virkelig tæt på absolut nul!)

Hele opsætningen er ophængt i en stålramme, der flyder på støddæmpere, for at forhindre vibrationer i gulvet i at forstyrre forsøget.

Da Sochnikov, Herrera, Cerbin, Davino, og Franklin lavede forsøget og kiggede på resultaterne, de fandt ud af, at strakt strontiumtitanat bliver superledende ved temperaturer 40% højere end normalt. Det er en enorm stigning, procentvis. De tror, ​​at det er fordi at strække materialet gør det lettere for atomerne at svinge, limning af elektronerne mere fast. Nu, de arbejder på at beregne, hvad der gjorde forskellen, og planlægger at teste det i andre materialer i den nærmeste fremtid.

"Normalt kontrollerer vi materialer kemisk. Her, vi gør det mekanisk. Dette giver os et andet værktøj til at bringe superledere tættere på dagligdagen, og for at opdage nye funktioner, "Siger Sochnikov.