Nøglefremskridt inden for fysikforskning kan hjælpe med at muliggøre supereffektiv elektrisk strøm

I dag har et internationalt team af forskere ledet af Séamus Davis, professor i fysik ved University of Oxford og University College Cork, offentliggjort resultater, der afslører atommekanismen bag højtemperatur-superledere. Resultaterne er offentliggjort i PNAS .

Superledere er materialer, der kan lede elektricitet med nul modstand, så en elektrisk strøm kan vare ved i det uendelige. Disse bruges allerede i forskellige applikationer, herunder MRI-scannere og højhastigheds-maglev-tog, men superledning kræver typisk ekstremt lave temperaturer, hvilket begrænser deres udbredte anvendelse. Et hovedmål inden for fysikforskning er at udvikle superledere, der arbejder ved omgivelsestemperaturer, hvilket kan revolutionere energitransport og -lagring.

Visse kobberoxidmaterialer udviser superledning ved højere temperaturer end konventionelle superledere, men mekanismen bag dette har været ukendt siden deres opdagelse i 1987.

For at undersøge dette udviklede et internationalt hold, der involverede forskere i Oxford, Cork i Irland, USA, Japan og Tyskland, to nye mikroskopiteknikker. Den første af disse målte forskellen i energi mellem kobber- og oxygenatomets orbitaler som funktion af deres placering. Den anden metode målte amplituden af ​​elektron-parbølgefunktionen (styrken af ​​superledningsevnen) ved hvert oxygenatom og ved hvert kobberatom.

"Ved at visualisere styrken af ​​superledning som en funktion af forskelle mellem orbitale energier, var vi for første gang nogensinde i stand til at måle præcist det forhold, der kræves for at validere eller ugyldiggøre en af ​​de førende teorier om høj-temperatur superledning, på atomskalaen ," sagde professor Davis.

Som forudsagt af teorien viste resultaterne et kvantitativt, omvendt forhold mellem ladningsoverførselsenergiforskellen mellem tilstødende oxygen- og kobberatomer og styrken af ​​superledningsevnen.

Ifølge forskerholdet kan denne opdagelse vise sig at være et historisk skridt i retning af at udvikle superledere ved stuetemperatur. I sidste ende kan disse have vidtrækkende anvendelser lige fra maglev-tog, atomfusionsreaktorer, kvantecomputere og højenergipartikelacceleratorer, for ikke at nævne supereffektiv energioverførsel og lagring.

I superledermaterialer er elektrisk modstand minimeret, fordi elektronerne, der bærer strømmen, er bundet sammen i stabile "Cooper-par". I lavtemperatur-superledere holdes Cooper-parrene sammen af ​​termiske vibrationer, men ved højere temperaturer bliver disse for ustabile. Disse nye resultater viser, at i højtemperatur-superledere holdes Cooper-parrene i stedet sammen af ​​magnetiske vekselvirkninger, hvor elektronparrene binder sammen via en kvantemekanisk kommunikation gennem det mellemliggende oxygenatom.

Professor Davis tilføjede, at "dette har været et af de hellige grale af problemer inden for fysikforskning i næsten 40 år. Mange mennesker tror, ​​at billige, let tilgængelige stuetemperatur-superledere ville være lige så revolutionerende for den menneskelige civilisation som selve introduktionen af ​​elektricitet. " + Udforsk yderligere

Atomisk skala vindue til superledning baner vejen for nye kvantematerialer