Forskere afslører den første ukonventionelle superleder, der kan findes i mineralform i naturen

Forskere fra Ames National Laboratory har identificeret den første ukonventionelle superleder med en kemisk sammensætning, der også findes i naturen. Miassit er et af kun fire mineraler, der findes i naturen, og som fungerer som en superleder, når de dyrkes i laboratoriet. Holdets undersøgelse af miassit afslørede, at det er en ukonventionel superleder med egenskaber svarende til højtemperatursuperledere.

Deres resultater, offentliggjort i Communications Materials , yderligere videnskabsmænds forståelse af denne type superledning, som kan føre til mere bæredygtig og økonomisk superleder-baseret teknologi i fremtiden.

Superledning er, når et materiale kan lede elektricitet uden energitab. Superledere har applikationer, herunder medicinske MRI-maskiner, strømkabler og kvantecomputere. Konventionelle superledere er velkendte, men har lave kritiske temperaturer. Den kritiske temperatur er den højeste temperatur, ved hvilken et materiale fungerer som en superleder.

I 1980'erne opdagede forskere ukonventionelle superledere, hvoraf mange har meget højere kritiske temperaturer. Ifølge Ruslan Prozorov, en videnskabsmand ved Ames Lab, dyrkes alle disse materialer i laboratoriet. Dette faktum har ført til den generelle tro på, at ukonventionel superledning ikke er et naturligt fænomen.

Prozorov forklarede, at det er svært at finde superledere i naturen, fordi de fleste superledende elementer og forbindelser er metaller og har en tendens til at reagere med andre grundstoffer, såsom oxygen. Han sagde, at miassit (Rh₁₇ S₁₅ ) er et interessant mineral af flere grunde, hvoraf den ene er dens komplekse kemiske formel. "Intuitivt tror du, at dette er noget, der er produceret bevidst under en fokuseret søgning, og det kan umuligt eksistere i naturen," sagde Prozorov, "men det viser sig, at det gør."

Paul Canfield, fremtrædende professor i fysik og astronomi ved Iowa State University og en videnskabsmand ved Ames Lab, har ekspertise i design, opdagelse, vækst og karakterisering af nye krystallinske materialer. Han syntetiserede højkvalitets miassit-krystaller til dette projekt. "Selvom miassit er et mineral, der blev opdaget nær Miass-floden i Chelyabinsk Oblast, Rusland," sagde Canfield, "er det et sjældent mineral, der generelt ikke vokser som velformede krystaller."

Dyrkning af miassit-krystallerne var en del af en større indsats for at opdage forbindelser, der kombinerer meget højtsmeltende grundstoffer (som Rh) og flygtige grundstoffer (som S). "I modsætning til naturen af ​​de rene elementer, har vi mestret brugen af ​​blandinger af disse elementer, der muliggør lavtemperaturvækst af krystaller med minimalt damptryk," sagde Canfield.

"Det er som at finde et skjult fiskehul, der er fyldt med store fede fisk. I Rh-S-systemet opdagede vi tre nye superledere. Og gennem Ruslans detaljerede målinger opdagede vi, at miassitten er en ukonventionel superleder."

Prozorovs gruppe har specialiseret sig i avancerede teknikker til at studere superledere ved lave temperaturer. Han sagde, at materialet skulle være så koldt som 50 millikelvin, hvilket er omkring -460°F.

Prozorovs team brugte tre forskellige tests til at bestemme arten af ​​miassites superledning. Hovedtesten kaldes "London penetrationsdybden." Det bestemmer, hvor langt et svagt magnetfelt kan trænge igennem superledermassen fra overfladen. I en konventionel superleder er denne længde stort set konstant ved lav temperatur. I ukonventionelle superledere varierer det dog lineært med temperaturen. Denne test viste, at miassit opfører sig som en ukonventionel superleder.

En anden test, holdet udførte, var at introducere defekter i materialet. Prozorov sagde, at denne test er en signaturteknik, som hans team har brugt i løbet af det sidste årti. Det går ud på at bombardere materialet med højenergielektroner. Denne proces slår ioner ud fra deres positioner, hvilket skaber defekter i krystalstrukturen. Denne lidelse kan forårsage ændringer i materialets kritiske temperatur.

Konventionelle superledere er ikke følsomme over for ikke-magnetisk forstyrrelse, så denne test ville vise ingen eller meget lille ændring i den kritiske temperatur. Ukonventionelle superledere har en høj følsomhed over for uorden, og introduktion af defekter ændrer eller undertrykker den kritiske temperatur. Det påvirker også materialets kritiske magnetfelt. I miassite fandt holdet, at både den kritiske temperatur og det kritiske magnetfelt opførte sig som forudsagt i ukonventionelle superledere.

At undersøge ukonventionelle superledere forbedrer forskernes forståelse af, hvordan de fungerer. Prozorov forklarede, at dette er vigtigt, fordi "afdækning af mekanismerne bag ukonventionel superledning er nøglen til økonomisk sunde anvendelser af superledere."

Flere oplysninger: Hyunsoo Kim et al., Nodal superledning i miassit Rh17S15, Kommunikationsmaterialer (2024). DOI:10.1038/s43246-024-00456-w

Journaloplysninger: Kommunikationsmateriale

Leveret af Ames National Laboratory