211service.com
En ny superleder
En ny klasse af højtemperatur-superledere, opdaget tidligere i år, opfører sig meget anderledes, end tidligere kendte kobber-ilt-superledere gør. I stedet ser de nye materialer ud til at følge en superledningsmekanisme, der tidligere kun fandtes i materialer, der er superledende ved meget lave temperaturer, Chia-Ling Chien og hans kolleger ved Johns Hopkins University rapporterer i en online Natur papir.
Ingen modstand: Nye superledere indeholder vekslende lag af jernarsenid (orange og rød) og sjældne jordarters metaloxider (blå og grå) doteret med fluor (grøn). Jernarsenidforbindelser bliver superledende ved relativt høje temperaturer på 55 K, og forskere begynder nu at tyde deres superledende mekanisme.
Indsigten er et vigtigt skridt i retning af at forstå, hvordan superledere fungerer, og det kan hjælpe forskere med at designe endnu bedre materialer. Højtemperatur-superledere kan føre til billigere MR-maskiner; mindre, lettere strømkabler; og langt mere energieffektive og sikre elnet. Forsyningsvirksomheder kunne for eksempel bruge superledende magneter til at lagre energi om natten og derefter bruge den i spidsbelastningstider om morgenen og aftenen.
Superledende materialer leder elektrisk strøm uden tab, når de afkøles under en bestemt temperatur, kaldet den kritiske temperatur. Niobiumlegeringer, der bruges til fremstilling af superledende magneter til MRI-maskiner, er kun superledende under 10 K. Kobber-iltforbindelser eller cuprater, som blev opdaget i slutningen af 1980'erne, superledende ved meget højere temperaturer på 90 til 138 K. Ved disse temperaturer , billig, letanvendelig flydende nitrogen kan anvendes som kølemiddel. (Cuprates bruges ikke til MRI-magneter, fordi det er svært og dyrt at lave ledninger fra dem.) Og nogle producenter laver nitrogenkølede superledende kabler til transmissionsledninger.
Men forskere har længe forsøgt at finde materialer med endnu højere kritiske temperaturer. Den hellige gral fungerer [superledere] ved stuetemperatur, siger fysiker Jeffrey Lynn , der studerer superledere ved National Institute of Standards and Technology. Superledende strømkabler, MRI-maskiner og energilagringsenheder ville være billigere og mindre, hvis de ikke havde brug for køling.
De nye superledere af jernarsenid har vist potentiale til at opnå høje kritiske temperaturer. Forskere ved Tokyo Institute of Technology rapporterede først i en februar-avis i Journal of the American Chemical Society at et lanthanjern-arsenidmateriale bliver superledende ved 26 K. Siden da har kinesiske forskere skubbet den kritiske temperatur op til 55 K. Det er ikke nær så højt som de superledende temperaturer for cuprates, men Johns Hopkins' Chien siger, at dette er en ny materiale at udforske, og man håber, vi får endnu højere temperaturer.
Det nye materiales kemiske struktur gør det særligt spændende. Den indeholder oxider af sjældne jordarters metaller klemt mellem lag af jernarsenid. Strukturen giver mulighed for en masse fidus, der justerer materialets egenskaber, siger Lynn. Forskere kan for eksempel erstatte jern, arsen eller sjældne jordarters metaller med andre grundstoffer. Faktisk erstattede kinesiske forskere lanthanen i det originale japanske materiale med andre sjældne jordarters metaller, såsom samarium, for at hæve den kritiske temperatur til over 50 K. Der er mange forskellige typer kemiske substitutioner, som du kan prøve, siger Lynn. De er faktisk mere fleksible end cuprates.
De nye superledere kan også have en anden afgørende fordel, siger David Christen, der leder superlederforskning ved Oak Ridge National Laboratory. Mens cuprate-strømkabler skal fremstilles som specialdesignede flade bånd, kan det være lettere at lave ledninger fra jern-arsenid-halvledere. Disse materialer kunne være mere praktiske end cuprates, hvis det viser sig, at de er nemmere og billigere at lave, siger Christen.
Forskere håber også, at jernarsenider vil hjælpe med at låse op for mysteriet om, hvordan højtemperatur-superledere fungerer. Det vil være nøglen til at designe materialer med endnu højere kritiske temperaturer. I superledere, der arbejder ved meget lave temperaturer, såsom niobium og bly, danner elektroner par under den kritiske temperatur. Atomer eller defekter i krystallen har ikke den nødvendige energi til at bryde parret og afbøje elektronerne. Så elektronparret lyner uhindret rundt om materialet, hvilket giver anledning til superledning. Men denne parringsteori holder ikke for højtemperatur kobber-ilt materialer.
I deres Natur papir, viser Chien og hans kolleger beviser, der tyder på, at parringsteorien kan holde til jern-arsenid-superlederne. Parringen af elektroner er superlederens sjæl, siger Chien. Hvis de nye materialer følger [parring]-teorien, så … vil vi være i stand til at forstå materialerne en smule lettere.
Flere beviser fra eksperimenter udført med mange forskellige jernarsenidforbindelser vil være nødvendige for at bekræfte, hvordan superlederne virker, siger Pengcheng Dai , fysikprofessor ved University of Tennessee i Knoxville. Johns Hopkins-værket er kun en brik i puslespillet, siger han. Faktisk, mens parringsmekanismen for jernarsenider kan være anderledes end kobber-oxygenforbindelser, har de to materialer også ligheder. I en nylig online-avis, også offentliggjort i Natur , Dai og Lynn viste, at de to materialer deler centrale magnetiske egenskaber. Og begge materialer har også en lignende lagdelt struktur.
Det er måske for tidligt at sige, hvor nyttige superlederne af jernarsenid vil være. For nu siger Dai, at forskerne er begejstrede for at have brudt det 22-årige monopol på cuprates og over at have en ny højtemperatur-superleder at lege med.