Superlederen, der arbejder ved jordtemperatur

Superledningsevnens verden er i oprør. Sidste år fremsatte Mikhail Eremets og et par venner fra Max Planck Institute for Chemistry i Mainz, Tyskland, den ekstraordinære påstand, at de havde set svovlbrinte superledende ved -70 °C. Det er omkring 20 grader varmere end noget andet materiale - en enorm stigning i forhold til den nuværende rekord.

Følgere af denne blog vil har læst om dette arbejde i december sidste år , da det første gang blev sendt til arXiv. På det tidspunkt var fysikere forsigtige med arbejdet. Historien om superledning er fyldt med tvivlsomme påstande om højtemperaturaktivitet, som senere viser sig at være umulige at reproducere.

Men i månederne siden da har Eremets og co arbejdet hårdt for at fremtrylle de sidste afgørende beviser. For et par uger siden blev deres papir endelig offentliggjort i det peer reviewede tidsskrift Natur , hvilket giver det gummistempel af respektabilitet, som mainstream fysik kræver. Pludselig er superledning tilbage i overskrifterne.

I dag giver Antonio Bianconi og Thomas Jarlborg ved Rome International Center for Materials Science Superstripes i Italien en gennemgang af dette spændende felt. Disse fyre giver et overblik over Eremet og cos opdagelse og en behandling af det teoretiske arbejde, der forsøger at forklare det.

Først lidt baggrund. Superledning er fænomenet nul elektrisk modstand, der opstår i nogle materialer, når de afkøles under en kritisk temperatur.

Dette fænomen er velkendt i konventionelle superledere, som i det væsentlige er stive gitter af positive ioner badet i et hav af elektroner. Elektrisk modstand opstår, fordi elektroner støder ind i dette gitter og mister energi, når de bevæger sig gennem det.

Men ved lave temperaturer kan elektroner binde sig til hinanden og danne Cooper-par. Samtidig bliver gitteret stift nok til at tillade den sammenhængende bevægelse af bølger kaldet fononer.

Superledning opstår, når Cooper-parrene og fononerne rejser sammen gennem materialet, hvor bølgerne i det væsentlige rydder vejen for elektronparrene. Og det nedbrydes, når vibrationerne i gitteret - dets temperatur - bliver stærke nok til at bryde Cooper-parrene fra hinanden. Det er den kritiske temperatur.

Indtil for nylig var den højeste kritiske temperatur af denne art omkring 40 kelvin eller -230 celsius.

Der er i det væsentlige tre egenskaber, som fysikere leder efter som bevis på, at et materiale superleder. Den første er et pludseligt fald i elektrisk modstand, når materialet afkøles til under denne kritiske temperatur. Den anden er udvisningen af ​​magnetiske felter inde fra materialet, et fænomen kendt som Meissner-effekten.

Den tredje er en ændring i den kritiske temperatur, når atomer i materialet erstattes med isotoper. Det skyldes, at forskellen i isotopmasse får gitteret til at vibrere forskelligt, hvilket ændrer den kritiske temperatur.

Men der er en anden form for superledning, som er meget mindre godt forstået. Dette involverer visse keramiske stoffer opdaget i 1980'erne, som superleder op til temperaturer på omkring -110 grader. Ingen forstår rigtigt, hvordan dette virker, men meget af forskningen i superledningssamfundet har fokuseret på disse eksotiske materialer.

Eremet og cos arbejde vil sandsynligvis ændre det. Måske den største overraskelse ved deres gennembrud er, at det ikke involverer en højtemperatursuperleder. I stedet er svovlbrinte en almindelig superleder af den slags, der aldrig var set arbejde ved temperaturer over omkring 40 kelvin.

Eremet og co opnåede deres trick ved at presse materialet til den slags tryk, der kun findes i jordens centrum. Samtidig er det lykkedes dem at finde beviser for alle de vigtige egenskaber ved superledning.

Mens alt dette eksperimentelle arbejde har været i gang, har teoretikere kløet sig i hovedet over, hvordan de skal forklare det. Mange fysikere havde troet, at der var en eller anden teoretisk grund til, at konventionelle superledere ikke kan arbejde over omkring 40 kelvin. Men faktisk er der intet i teorien, der forhindrer superledning ved højere temperaturer.

Faktisk forudsagde den britiske fysiker Neil Ashcroft i 1960'erne, at brint burde være i stand til at superlede ved høje temperaturer og tryk, måske endda ved stuetemperatur. Hans idé var, at brint er så let, at det skulle danne et gitter, der var i stand til at vibrere ved meget høje frekvenser og derfor superledende ved høje temperaturer og tryk.

Eremet og cos opdagelse ser ud til at være en retfærdiggørelse af denne idé. Eller i det mindste noget lignende. Der er adskillige teoretiske folder, der skal udlignes, før fysikere kan sige, at de har en ordentlig forståelse af, hvad der foregår. Dette teoretiske arbejde er i gang.

Nu går kapløbet om at finde andre superledere, der fungerer ved endnu højere temperaturer. En lovende kandidat er H3S (i modsætning til H2S, som Eremet oprindeligt arbejdede på).

Og selvfølgelig begynder fysikere at tænke på applikationer. Der er talrige udfordringer ved at udnytte dette materiale, ikke mindst fordi det kun findes i superledende form i bittesmå prøver inde i højtryks ambolte.

Men det har ikke stoppet folk i at spekulere. Denne opdagelse er relevant ikke kun inden for materialevidenskab og kondenseret stof, men også inden for andre områder lige fra kvanteberegning til kvantefysik af levende stof, siger Bianconi og Jarlborg. De gør også det tankevækkende pointe, at denne superleder arbejder ved en temperatur, der er 19 grader højere end den koldeste temperatur, der nogensinde er registreret på Jorden.

Det gør dette til et spændende felt at være i, og som vi sandsynligvis vil høre meget mere om i de kommende måneder og år.

Ref: arxiv.org/abs/1510.05264 : Superledningsevne over den laveste jordtemperatur i tryksat svovlhydrid

skjule