Gör högtemperatursupraledare några framsteg?

När material leder elektricitet går en del energi till spillo som värme. Denna förlust är känd som motstånd. Under vissa förhållanden har vissa material dock inget motstånd alls. Dessa material kallas supraledare, och deras effektivitet när det gäller att transportera elektricitet och generera magnetfält gör dem avgörande i applikationer som magnetisk resonanstomografi (MRI) och Japans supersnabba maglev-tågsystem.

Forskare såg ett material kort förlora sitt elektriska motstånd vid rumstemperatur när det pulserade med en laser. Dess struktur illustreras här.

Men dessa konventionella supraledare måste kylas med flytande helium till cirka -270 °C, vilket är dyrt och begränsar var de kan användas. Högtemperatursupraledare, som först tillverkades på 1980-talet, blir supraledande vid cirka -135 °C, vilket möjliggör mer praktiska kylningsprocesser som använder flytande kväve. Dessa material kan ha mer omfattande fördelar, som att leverera mer kraft till städer och tillhandahålla energilagring för deras nät (se Superledande magneter för lagring i nätskala). De kan också kraftigt minska storleken på vindkraftsgeneratorer, och de kan användas i superdatorer.

Högtemperatursupraledare har demonstrerats i ett fåtal nischapplikationer, inklusive en kabelmatningskraft till Long Island (se A More Robust Grid for Manhattan) och på ett US Navy-fartyg. Ett Chicago-företag överväger supraledande kablar som ger 10 gånger lika mycket kraft som koppartrådar i samma storlek. De kan hjälpa till att minska strömavbrotten, eftersom de snabbt kan flytta ström mellan transformatorstationer i mängder som skulle steka traditionell utrustning.

Men de nyare materialen är begränsade eftersom de är svåra att tillverka. Forskare försöker fortfarande lära sig mer om hur dessa högtemperatursupraledare fungerar, med målet att en dag skapa material som har dessa egenskaper vid rumstemperatur. Det har skett några framsteg på området på senare tid.

Värmer upp

Fysiker i Hamburg Max Planck-institutet för materiens struktur och dynamik visade att en högtemperatursupraledare utsatt för pulser från en infraröd laser tappade sitt elektriska motstånd vid rumstemperatur. Laserpulserna verkade förskjuta atomer i det keramiska materialets kristallgitter, säger forskarna i en Natur brev. Denna förändring observerades för bara biljondelar av en sekund, men den kan ge forskarna fler ledtrådar om hur man gör supraledare som fungerar vid högre temperaturer.

Vid University of Southern California , har forskare satt ihop ett kluster av aluminiumatomer som visade supraledning vid -173 °C snarare än -272 °, vilket behövs för att förvandla typiskt aluminium till en supraledare. Forskningen publicerades i Nanobokstäver den 28 januari.

Fler experiment

Eftersom forskare inte har vetat exakt vad som får material att fungera som högtemperatursupraledare, har processen att hitta nya varit svår. I juni förra året upptäckte forskare vid University of Cambridge att supraledning i dessa material kommer från vridna fickor av elektroner. Detaljerna beskrivs i ett julibrev i Natur . Universitetet tillhandahåller ett foto av dessa fickor och mer information om studien här.

I samarbete med forskare i Japan, Taiwan och Skottland beskriver Cornell University-forskare hur de kan ha hittat fingeravtryck av karakteristisk aktivitet i elektronerna i högtemperaturjärnsupraledare. Forskarna beskriver detta teoretiska tillvägagångssätt i en Naturfysik brev.

Samtidigt innebär vissa upptäckter bakslag för forskarna. I en Naturfysik I artikeln förklarar Stanford-forskare till exempel hur de upptäckte oväntat beteende i ett kopparoxidmaterial. En animerad video visar vad de hittade.

Starkare material

Vissa av dagens högtemperatursupraledare kan bära så mycket ström att de genererar magnetfält som är 100 gånger starkare än en kylskåpsmagnet. Materialet måste kunna innehålla styrkan hos det magnetiska fältet, annars kommer det att explodera. I juni förra året, ingenjörer från University of Cambridge, Florida State University och Boeing slog rekord från 2003 för styrkan hos en magnetisk kraft som kan fångas inuti en supraledare. Resultaten var detaljerade i Supraledare vetenskap och teknik .

Takeaway:

Fortsatta frågor om varför material blir högtemperatursupraledare har gjort det svårt att designa nya som är mer praktiska att tillverka och använda. Michael Norman, en framstående stipendiat vid Argonne National Laboratory, beskrev nyligen forskning om högtemperatursupraledare genom åren i en Natur recension. Det hjälper till att visa varför det slutliga målet med att utveckla en supraledare i rumstemperatur är långt borta.

Har du en stor fråga? Skicka förslag till [email protected] .

Dölj