Superledningsevne dekrypteret ved stuetemperatur

Laserpuls hjælper elektroner med at tunnelere igennem, hvilket tillader tabsløs ledning

Modstandsfri ved stuetemperatur: Den resonante excitation af iltoscillationer (sløret) mellem CuO2-dobbeltlag (lyseblå, Cu-gul orange, O rød) med korte lysglimt forårsager en kortvarig forskydning af atomerne i krystalgitteret væk fra deres ligevægtspositioner. Denne forskydning betyder, at afstandene mellem CuO2-planene øges inden for et dobbeltlag, og afstandene mellem dobbeltlag aftager samtidig. Dette forbedrer sandsynligvis superledningsevnen © MPI for Structure and Dynamics of Matter / Jörg Harms
læst op

Kraftstrøm uden modstand: Drømmen om tabsfri strømforsyning er kommet et skridt nærmere. Fordi forskere nu har fundet ud af, hvordan og hvorfor superledningen faktisk fungerer ved stuetemperatur. Indtil videre har dette kun været muligt i eksperimentet i nogle få milliondele af et mikrosekund. Men de nye fund kunne hjælpe med at udvikle målrettede materialer, der kan vare længere, som forskerne rapporterer i tidsskriftet "Nature".

Superledere kan transportere elektricitet uden nogen modstand og dermed tabt. I nogle nicher bruges de allerede, fx som magneter til magnetresonans tomograf eller partikelaccelerator. Materialerne skal dog afkøles til meget lave temperaturer. Værdier lige over absolut nul ved minus 273 grader Celsius er påkrævet for de fleste metaller, såkaldte højtemperatur-superledere fører elektricitet tab frit selv ved temperaturer på cirka minus 200 grader Celsius.

Tunneling af elektronpar

En af disse keramiske højtemperatur-superledere er yttrium-barium-kobberoxid (YBCO). Dette er et af de mest lovende materialer til tekniske anvendelser, såsom superledende kabler, motorer og generatorer. Årsagen til dets gunstige egenskaber er strukturen af ​​YBCO-krystallen: tynde dobbeltlag kobberoxid skiftevis med tykkere mellemlag, som ud over kobber og ilt også indeholder barium.

I koboldioxid-lagene kan elektroner mødes for at danne såkaldte Cooper-par og "tunnel" mellem forskellige lag. Du kan krydse disse lag med det, når spøgelser krydser en væg - en typisk kvanteeffekt. Under en kritisk temperatur tunneler disse Cooper-par også gennem de tykkere lag til det næste dobbeltlag - materialet bliver superledende.

Laserblitz genererer superledningsevne - ved stuetemperatur

Men i 2013 førte et eksperiment til overraskelse: Ved hjælp af korte infrarøde laserglimter har forskere for første gang været i stand til at gøre YBCO superledende ved stuetemperatur - selvom kun for et par milliondele af et mikrosekund. Tilsyneladende havde laserlyset ændret koblingen mellem dobbeltlagene i krystallen. Den nøjagtige mekanisme forblev imidlertid uklar indtil nu. For Roman Mankowsky fra Max Planck Institut for Struktur og Dynamik af Materie i Hamborg og hans kolleger lykkedes det at dechiffrere fysikken bag superledelse ved stuetemperatur. udstilling

I Linac koherente lyskilde bliver røntgenstråler kohærente impulser - og molekyler kan analyseres med dem. LCLS

For at gøre det gentog de eksperimentet ved Linac Coherent Light Source (LCLS) i Stanford, verdens mest kraftfulde røntgenlaser. ”Næste gang vi sendte en infrarød flash ind i krystallen, gjorde det visse atomer glade for at vibrere, ” siger Mankowsky. "Kort derefter sendte vi en kort røntgenblitz for at måle den nøjagtige krystalstruktur af den ophidsede krystal."

Separerende lag bliver tyndere

Resultatet: Den infrarøde blitz havde ikke kun vibreret atomerne, men flyttede også deres placering i krystallen. Som et resultat blev koboldioxidlagene kort tykkere med to picometers en hundrededel af en atomdiameter, placeringen mellem dem tyndere med samme mængde. Dette øgede igen kvantekoblingen mellem dobbeltlagene så meget, at krystallen blev superledende i nogle få picosekunder ved stuetemperatur.

Denne konstatering bekræfter, at superledningsevne ved stuetemperatur faktisk er mulig, og hvordan den fungerer. "På den anden side kunne det hjælpe materialeforskere med at udvikle nye superledere med højere overgangstemperaturer, " siger Mankowsky. "Mod drømmen om en superleder, der arbejder ved stuetemperatur og fungerer uden afkøling."

Indtil videre skal superledende magneter, motorer og kabler bringes til ekstreme minusgrader med flydende nitrogen eller helium. Hvis man kunne klare sig uden denne dyre køling, kan dette betyde et gennembrud for teknologien. (Nature, 2014; doi: 10.1038 / nature13875)

(Max Planck Society, 04.12.2014 - NPO)