Forsker fokuserer på et kritisk punkt for at forbedre superledere

Jagten på en superleder, der kan arbejde under mindre ekstreme forhold end hundreder af grader under nul eller ved tryk som dem nær Jordens centrum, er en søgen efter en revolutionerende ny kraft - en, der er nødvendig til magnetisk svævende biler og ultraeffektiv kraft fremtidens net.

Men at udvikle denne form for "stuetemperatur"-superleder er en bedrift, videnskaben endnu ikke har opnået.

En forsker ved University of Central Florida, imidlertid, arbejder på at flytte dette mål tættere på realisering, med noget af hans seneste forskning offentliggjort for nylig i tidsskriftet Kommunikationsfysik .

I undersøgelsen, Yasuyuki Nakajima, en adjunkt i UCF's Institut for Fysik, og medforfattere viste, at de kunne se nærmere på, hvad der sker i "mærkelige" metaller.

Disse "mærkelige" metaller er specielle materialer, der viser usædvanlig temperaturadfærd i elektrisk modstand. Den "mærkelige" metalliske adfærd findes i mange højtemperatur-superledere, når de ikke er i en superledende tilstand, hvilket gør dem nyttige for forskere, der studerer, hvordan visse metaller bliver til højtemperatur-superledere.

Dette arbejde er vigtigt, fordi indsigt i elektronernes kvanteadfærd i den "mærkelige" metalliske fase kunne give forskere mulighed for at forstå en mekanisme for superledning ved højere temperaturer.

"Hvis vi kender teorien til at beskrive denne adfærd, vi kan muligvis designe højtemperatur superledere, " siger Nakajima.

Superledere får deres navn, fordi de er de ultimative ledere af elektricitet. I modsætning til en dirigent, de har nul modstand, hvilken, som en elektronisk "friktion, " får elektricitet til at miste strøm, når den strømmer gennem en leder som kobber eller guldtråd.

Dette gør superledere til et drømmemateriale til at levere strøm til byer, da den energi, der spares ved at bruge modstandsfri ledning, ville være enorm.

Kraftige superledere kan også svæve tunge magneter, baner vejen for praktiske og overkommelige magnetisk svævende biler, tog og meget mere.

At gøre en leder til en superleder, metalmaterialet skal afkøles til en ekstrem lav temperatur for at miste al elektrisk modstand, en brat proces, som fysikken endnu ikke har udviklet en fuldstændig omfattende teori til at forklare.

Disse kritiske temperaturer, ved hvilke omskifteren foretages, er ofte i området -220 til -480 grader Fahrenheit og involverer typisk et dyrt og besværligt kølesystem, der bruger flydende nitrogen eller helium.

Nogle forskere har opnået superledere, der arbejder ved omkring 59 grader Fahrenheit, men det var også ved et tryk på mere end 2 millioner gange det ved Jordens overflade.

I undersøgelsen, Nakajima og forskerne var i stand til at måle og karakterisere elektronadfærd i en "mærkelig" metallisk tilstand af ikke-superledende materiale, en pnictidlegering af jern, nær et kvantekritisk punkt, hvor elektroner skifter fra at have forudsigelige, individuel adfærd til at bevæge sig kollektivt i kvantemekaniske udsving, som er udfordrende for videnskabsmænd at beskrive teoretisk.

Forskerne var i stand til at måle og beskrive elektronernes adfærd ved at bruge en unik metalblanding, hvor nikkel og kobolt blev erstattet af jern i en proces kaldet doping, dermed skabe en jern pnictide legering, der ikke superledende ned til -459,63 grader Fahrenheit, langt under det punkt, hvor en leder typisk ville blive en superleder.

"Vi brugte en legering, en relativ forbindelse af højtemperaturjernbaseret superleder, hvori forholdet mellem bestanddelene, jern, kobolt og nikkel i dette tilfælde, er finjusteret, så der ikke er nogen superledning, selv i nærheden af ​​det absolutte nul, " siger Nakajima. "Dette giver os mulighed for at få adgang til det kritiske punkt, hvor kvanteudsving styrer elektronernes adfærd og studere, hvordan de opfører sig i forbindelsen."

De fandt ud af, at elektronernes opførsel ikke blev beskrevet af nogen kendte teoretiske forudsigelser, men at spredningshastigheden, hvormed elektronerne blev transporteret hen over materialet, kan være forbundet med det, der er kendt som Planck-dissipationen, kvantehastighedsgrænsen for, hvor hurtigt stof kan transportere energi.

"Den kvantekritiske adfærd, vi observerede, er ret usædvanlig og adskiller sig fuldstændig fra teorierne og eksperimenterne for kendte kvantekritiske materialer, " siger Nakajima. "Det næste trin er at kortlægge dopingfasediagrammet i dette jernpnictidlegeringssystem."

"Det ultimative mål er at designe superledere med højere temperaturer, " siger han. "Hvis vi kan gøre det, vi kan bruge dem til magnetisk resonansscanning, magnetisk levitation, elnet, og mere, med lave omkostninger."

At låse op for måder at forudsige modstandsadfærden af ​​"mærkelige" metaller ville ikke kun forbedre superlederudviklingen, men også informere teorier bag andre fænomener på kvanteniveau, siger Nakajima.

"Seneste teoretiske udvikling viser overraskende forbindelser mellem sorte huller, gravitations- og kvanteinformationsteori gennem Planck-dissipationen, " siger han. "Derfor, forskningen i 'mærkelig' metallisk adfærd er også blevet et varmt emne i denne sammenhæng."