211service.com
Hur metamaterial kan hålla nyckeln till högtemperatursupraledning
Metamaterial är ett av modern fysiks underverk. Gjorda med hjälp av upprepade 3D-mönster av elektroniska komponenter som kondensatorer och motstånd, metamaterial interagerar med ljusvågor och styr dem på sätt som är omöjliga med vanliga saker. Resultatet: fler osynlighetskappor än du kan skaka en trollstav åt.
Men det finns ingen magi på jobbet. Den allmänna teorin som förklarar detta är känd som transformationsoptik. Och matematiken bakom den är formellt analog med ekvationerna som beskriver hur massan förvränger rumtiden för att generera gravitation. Det är därför fysiker har kunnat använda ett metamaterial för att simulera hur ett svart hål fångar ljus.
Nu säger Igor Smolyaninov och Vera Smolyaninova vid University of Maryland i College Park att metamaterial formellt kan kopplas till ett annat område av fysiken: supraledning. I synnerhet säger de att supraledare kan vara en speciell form av metamaterial som styr elektroner istället för ljus. Det väcker den lockande möjligheten att hemligheten bakom supraledning vid hög temperatur kan ligga i utvecklingen av en ny generation metamaterial som utnyttjar denna idé ytterligare.
Först lite bakgrund. Supraledning är fenomenet nollresistans i material som kyls under någon kritisk temperatur. Supraledare driver också ut magnetiska fält, ett fenomen som kallas Meissner-effekten.
Under många år efter upptäckten av supraledning 1911 var fysiker förbryllade över hur den uppstod. Sedan, 1957, löste John Bardeen, Leon Cooper och John Schrieffer problemet med vad som nu är känt som BCS-teorin.
Deras idé är att vid låga temperaturer fördubblas elektroner för att bilda Cooper-par som färdas genom materialets gitter tillsammans. De gör detta med noll motstånd genom att byta ut fononer - kvantpartiklar av vibration - med gittret.
I själva verket svepas kopparparen genom gittret av dessa fononer, som rensar vägen för hinder, såsom andra elektroner. Det är därför det finns noll motstånd.
Denna förmåga att styra elektroner kan låta bekant. Faktum är att Smolyaninov och Smolyaninova säger att högtemperatursupraledare som BSCCOs (vismut strontium kalciumkopparoxider som supraleder vid över 100 K) har en formell likhet med de metamaterial som fysiker redan har byggt för att styra ljus.
Det beror på att de består av lager av atomer med metalliska egenskaper med avstånd mellan lager av atomer som har dielektriska egenskaper (se diagram). I själva verket är de de ultimata metamaterialen konstruerade på atomär skala.
Det väcker den fascinerande utsikten att fysiker en dag kan konstruera egna supraledande metamaterial. Och med en bättre förståelse för exakt hur dessa lager styr elektroner med nollresistans, kan det till och med vara möjligt att göra material som supraledande vid högre temperaturer än vad som är möjligt idag. Vi hävdar att metamaterialmetoden för dielektrisk responsteknik avsevärt kan öka den kritiska temperaturen hos ett sammansatt supraledare-dielektriskt metamaterial, säger de.
Hör vi rumstemperatur? Kanske inte än. Detta är bara en idé för närvarande och många betydande utmaningar ligger framför oss. Det första är att hitta ett sätt att designa ett supraledande metamaterial och förutsäga dess supraledande egenskaper. Efter det skulle den stora utmaningen komma att syntetisera den.
Båda dessa bedrifter ser ut att vara en bit bort. Ändå har vetenskapen om metamaterial utvecklats snabbt. På bara tio år har den gått från fantasybokfiktion till konstruktion av fungerande osynlighetskappor, konstgjorda svarta hål och till och med syntetiska universum.
Vilket är anledningen till att bara en dåre skulle satsa mot att supraledning är nästa steg på den metamaterialiska sängstolpen.
Ref: arxiv.org/abs/1311.3277 : Finns det ett metamaterial som leder till högtemperatursupraledning?