En ny supraledare

En ny klass av högtemperatursupraledare, upptäckt tidigare i år, beter sig väldigt annorlunda än vad tidigare kända koppar-syresupraledare gör. Istället verkar de nya materialen följa en supraledningsmekanism som tidigare endast fanns i material som är supraledande vid mycket låga temperaturer, Chia-Ling Chien och hans kollegor vid Johns Hopkins University rapporterar i en online Natur papper.

Inget motstånd: Nya supraledare innehåller omväxlande lager av järnarsenid (orange och röd) och sällsynta jordartsmetalloxider (blå och grå) dopad med fluor (grön). Järnarsenidföreningar blir supraledande vid relativt höga temperaturer på 55 K, och forskare börjar nu dechiffrera deras supraledande mekanism.

Insikten är ett viktigt steg mot att förstå hur supraledare fungerar, och det kan hjälpa forskare att designa ännu bättre material. Högtemperatursupraledare kan leda till billigare MRI-maskiner; mindre, lättare strömkablar; och betydligt mer energieffektiva och säkra elnät. Verktyg, till exempel, skulle kunna använda supraledande magneter för att lagra energi på natten, och sedan använda den vid topptimmar på morgonen och kvällarna.

Supraledande material leder elektrisk ström utan några förluster när de kyls under en viss temperatur, kallad den kritiska temperaturen. Nioblegeringar, som används för att tillverka supraledande magneter för MRI-maskiner, är supraledande endast under 10 K. Koppar-syreföreningar, eller kuprater, som upptäcktes i slutet av 1980-talet, är supraledande vid mycket högre temperaturer på 90 till 138 K. Vid dessa temperaturer , billig, lättanvänd flytande kväve kan användas som köldmedium. (Cuprates används inte för MRI-magneter eftersom det är svårt och dyrt att göra ledningar av dem.) Och vissa tillverkare tillverkar kvävekylda supraledande kablar för transmissionsledningar.

Men forskare har länge försökt hitta material med ännu högre kritiska temperaturer. Den heliga gralen fungerar [supraledare] vid rumstemperatur, säger fysiker Jeffrey Lynn , som studerar supraledare vid National Institute of Standards and Technology. Supraledande strömkablar, MRI-maskiner och energilagringsenheter skulle vara billigare och mindre om de inte behövde kylning.

De nya supraledarna av järnarsenid har visat potential för att uppnå höga kritiska temperaturer. Forskare vid Tokyo Institute of Technology rapporterade först i en februaritidning i Journal of the American Chemical Society att ett lantanjärnarsenidmaterial blir supraledande vid 26 K. Sedan dess har kinesiska forskare drivit upp den kritiska temperaturen till 55 K. Det är inte alls lika högt som de supraledande temperaturerna för kuprater, men Johns Hopkins Chien säger att detta är en ny material att utforska, och man hoppas att vi ska få ännu högre temperaturer.

Det nya materialets kemiska struktur gör det extra spännande. Den innehåller oxider av sällsynta jordartsmetaller inklämda mellan lager av järnarsenid. Strukturen tillåter mycket mixtrande som justerar materialets egenskaper, säger Lynn. Forskare kan till exempel ersätta järn, arsenik eller sällsynta jordartsmetaller med andra grundämnen. Faktum är att kinesiska forskare ersatte lantanet i det ursprungliga japanska materialet med andra sällsynta jordartsmetaller, som samarium, för att höja den kritiska temperaturen över 50 K. Det finns många olika typer av kemiska substitutioner som du kan prova, säger Lynn. De är faktiskt mer flexibla än cuprates.

De nya supraledarna kan också ha en annan avgörande fördel, säger David Christen, som leder supraledarforskning vid Oak Ridge National Laboratory. Medan cuprate-strömkablar måste tillverkas som specialdesignade platta band, kan det vara lättare att göra ledningar av järnarsenidhalvledare. Dessa material kan vara mer praktiska än cuprates om det visar sig att de är enklare och billigare att göra, säger Christen.

Forskare hoppas också att järnarsenider ska hjälpa till att låsa upp mysteriet om hur högtemperatursupraledare fungerar. Det kommer att vara nyckeln för att designa material med ännu högre kritiska temperaturer. I supraledare som arbetar vid mycket låga temperaturer, som niob och bly, bildar elektroner par under den kritiska temperaturen. Atomer eller defekter i kristallen har inte den energi som behövs för att bryta paret och avleda elektronerna. Så elektronparet drar runt materialet obehindrat, vilket ger upphov till supraledning. Men denna parningsteori håller inte för koppar-syrematerial med hög temperatur.

I deras Natur Paper visar Chien och hans kollegor bevis som tyder på att parningsteorin kan hålla för järnarsenidsupraledare. Paret av elektroner är supraledarens själ, säger Chien. Om de nya materialen följer [parning]-teorin, då ... kommer vi att kunna förstå materialen lite lättare.

Mer bevis från experiment gjorda med många olika järnarsenidföreningar kommer att behövas för att bekräfta hur supraledarna fungerar, säger Pengcheng Dai , en fysikprofessor vid University of Tennessee, i Knoxville. Johns Hopkins arbete är bara en pusselbit, säger han. Även om parningsmekanismen för järnarsenider kan vara annorlunda än den för koppar-syreföreningar, har de två materialen också likheter. I en nyligen publicerad onlinetidning, även publicerad i Natur , Dai och Lynn visade att de två materialen delar viktiga magnetiska egenskaper. Och båda materialen har också en liknande skiktad struktur.

Det kan vara för tidigt att säga hur användbara supraledarna av järnarsenid kommer att vara. För nu säger Dai att forskare är entusiastiska över att ha brutit det 22-åriga monopolet på cuprates och över att ha en ny högtemperatursupraledare att leka med.

Dölj