Supraledaren som arbetar vid jordtemperatur

Superkonduktivitetens värld är i uppståndelse. Förra året gjorde Mikhail Eremets och ett par kompisar från Max Planck Institute for Chemistry i Mainz, Tyskland, det extraordinära påståendet att de hade sett vätesulfid supraledande vid -70 °C. Det är cirka 20 grader varmare än något annat material - en enorm ökning jämfört med det nuvarande rekordet.

Följare av denna blogg kommer har läst om detta arbete i december förra året , när det först lades upp på arXiv. På den tiden var fysiker försiktiga med arbetet. Historien om supraledning är full av tvivelaktiga påståenden om högtemperaturaktivitet som senare visar sig vara omöjliga att reproducera.

Men under månaderna sedan dess har Eremets och co arbetat hårt för att trolla fram de sista avgörande bevisen. För några veckor sedan publicerades äntligen deras artikel i den peer-reviewade tidskriften Natur , vilket ger den den gummistämpel av respektabilitet som mainstream fysik kräver. Plötsligt är supraledning tillbaka i rubrikerna.

Idag ger Antonio Bianconi och Thomas Jarlborg vid Rome International Center for Materials Science Superstripes i Italien en genomgång av detta spännande område. Dessa killar ger en översikt över Eremet och cos upptäckt och en behandling av det teoretiska arbetet som försöker förklara det.

Först lite bakgrund. Supraledning är fenomenet noll elektriskt motstånd som uppstår i vissa material när de kyls under en kritisk temperatur.

Detta fenomen är väl förstått i konventionella supraledare, som i huvudsak är stela gitter av positiva joner badade i ett hav av elektroner. Elektriskt motstånd uppstår eftersom elektroner stöter in i detta gitter och förlorar energi när de rör sig genom det.

Men vid låga temperaturer kan elektroner binda till varandra för att bilda Cooper-par. Samtidigt blir gittret tillräckligt styvt för att tillåta den koherenta rörelsen av vågor som kallas fononer.

Supraledning uppstår när Cooper-paren och fononerna färdas tillsammans genom materialet, varvid vågorna i huvudsak röjer vägen för elektronparen. Och det går sönder när vibrationerna i gallret – dess temperatur – blir tillräckligt starka för att bryta isär Cooper-paren. Det är den kritiska temperaturen.

Tills nyligen var den högsta kritiska temperaturen av detta slag cirka 40 kelvin eller -230 grader.

Det finns i huvudsak tre egenskaper som fysiker letar efter som bevis på att ett material är supraledande. Den första är ett plötsligt fall i elektriskt motstånd när materialet kyls under denna kritiska temperatur. Den andra är utdrivningen av magnetiska fält inifrån materialet, ett fenomen som kallas Meissner-effekten.

Den tredje är en förändring av den kritiska temperaturen när atomer i materialet ersätts med isotoper. Det beror på att skillnaden i isotopmassa gör att gittret vibrerar annorlunda, vilket ändrar den kritiska temperaturen.

Men det finns en annan typ av supraledning som är mycket mindre väl förstådd. Det handlar om vissa keramiska ämnen som upptäcktes på 1980-talet och som supraleder upp till temperaturer på cirka -110 grader. Ingen förstår riktigt hur detta fungerar men mycket av forskningen inom superledningsgemenskapen har fokuserat på dessa exotiska material.

Eremet och cos arbete kommer sannolikt att ändra på det. Den kanske största överraskningen med deras genombrott är att det inte involverar en högtemperatursupraledare. Istället är svavelväte en vanlig supraledare av det slag som aldrig setts arbeta vid temperaturer högre än cirka 40 kelvin.

Eremet och co uppnådde sitt trick genom att pressa materialet till den typ av tryck som bara finns i jordens mitt. Samtidigt har de lyckats hitta bevis på alla viktiga egenskaper hos supraledning.

Medan allt detta experimentella arbete har pågått, har teoretiker kliat sig i huvudet över hur de ska förklara det. Många fysiker hade trott att det fanns någon teoretisk anledning till varför konventionella supraledare inte kan fungera över cirka 40 kelvin. Men faktiskt finns det ingenting i teorin som hindrar supraledning vid högre temperaturer.

På 1960-talet förutspådde den brittiske fysikern Neil Ashcroft att väte borde kunna supraleda vid höga temperaturer och tryck, kanske till och med vid rumstemperatur. Hans idé var att väte är så lätt att det skulle bilda ett gitter som kan vibrera vid mycket höga frekvenser och därför supraledande vid höga temperaturer och tryck.

Eremet och co:s upptäckt verkar vara ett bevis på denna idé. Eller åtminstone något liknande. Det finns många teoretiska veck som måste utjämnas innan fysiker kan säga att de har en ordentlig förståelse för vad som händer. Detta teoretiska arbete pågår.

Nu går loppet för att hitta andra supraledare som fungerar vid ännu högre temperaturer. En lovande kandidat är H3S (till skillnad från H2S som Eremet från början arbetade på).

Och naturligtvis börjar fysiker fundera på tillämpningar. Det finns många utmaningar med att utnyttja detta material, inte minst eftersom det endast finns i supraledande form i små prover inuti högtrycksstäd.

Men det har inte hindrat folk från att spekulera. Denna upptäckt är relevant inte bara inom materialvetenskap och kondenserad materia utan även inom andra områden, från kvantberäkning till kvantfysik för levande materia, säger Bianconi och Jarlborg. De gör också det tankeväckande att denna supraledare arbetar vid en temperatur som är 19 grader högre än den kallaste temperaturen som någonsin registrerats på jorden.

Det gör det här till ett spännande område att vara i och ett som vi sannolikt kommer att höra mycket mer om under de kommande månaderna och åren.

Ref: arxiv.org/abs/1510.05264 : Superledningsförmåga över den lägsta jordtemperaturen i trycksatt svavelhydrid

Dölj