Hemmeligheder vristet ud af jern
Jern er magnetisk og burde være en dårlig superleder. Alligevel rummer visse nye materialer baseret på jern fine superledende egenskaber. Forklaringen er, at jerns fem ubundne elektroner har individuelle egenskaber og virkemåder, der tilsammen kan fremme superledning. I en artikel i Science vises det nu for første gang. Bag forskningen står Niels Bohr Instituttet (NBI) og en række andre videnskabelige institutioner i Europa og USA.
”Det er en viden, der kan blive nyttig, når man hen ad vejen vil prøve at skræddersy nye superledere”, forklarer en af forskerne bag opdagelsen, Brian Møller Andersen, lektor ved Niels Bohr Institutet.
Forskere ved det amerikanske Cornell University brugte dette specialbyggede mikroskop (Spectroscopic Imaging Scanning Tunnelling Microscope) for at aflure jernelektronernes reaktionsmønstre i forbindelse med superledning.
Mikroskopet er cirka 1 meter højt. I toppen sidder udstyr, der kan sænke observationstemperaturen til -273 grader C – lige over det absolutte nulpunkt. Foto: Cornell University/J.C. Séamus Davis.
Brian Møller Andersen er teoretisk faststoffysiker med speciale i eksotiske faser i faste stoffer – det vil sige tilstande, hvor stoffer opfører sig ganske anderledes, end de gør under såkaldt normale omstændigheder – og han arbejder netop med superledere.
Superledere er materialer, ofte metaller eller metallegeringer, der helt uden energitab kan transportere elektricitet – man kan i realiteten tale om en ledning uden modstand. Og sådanne superledere findes blandt andet i de magneter, der sidder i Det Europæiske Center for Kerneforsknings (CERN) underjordiske partikelaccelerator i Geneve, hvor udstyret gør det muligt at studere partikler på sub-atomart niveau.
I forbindelse med de mere alment praktiske anvendelser af superledere, videnskaben også gerne vil udvikle – ikke mindst til distribution af el - er problemet imidlertid, at man stadig søger rentable løsninger. Behovet for et sådant transmissionsnet er der, det er der ingen tvivl om, for det nuværende elsystem - både i Danmark og internationalt - er opbygget af højspændingsledninger og kabler med en så stor naturlig modstand, at det i nogle tilfælde kan give et transmissionstab på op til 10 procent af den strøm, kraftværkerne sender ud til forbrugerne.
Trods mere end 100 års intens forskning er der imidlertid endnu ikke udviklet superledere, som fungerer ved ’stuetemperatur’. Materialerne skal altid køles godt ned mod det absolutte nulpunkt ved -273,15 grader C, før den ønskede tilstand indtræder – og altid være koldere end -100 grader C, også når der arbejdes med de nyeste generationer superledere.
Denne nedkøling kræver mere energi, end man vil kunne spare ved modstandsfri el-transmission, og derfor er metoden isoleret set endnu ikke rentabel. Sådan har det været helt siden den hollandske fysiker Heike Kammerlingh Onnes i 1911 præsenterede det års helt store naturvidenskabelige nyhed ved at påvise, at meget lave temperaturer kan få nogle materialer til at gå i eksotisk retning og springe ud som superledere; hvilket selveste Lord Kelvin - den verdenskendte britiske fysiker, der i 1848 definerede den absolutte temperaturskala, Kelvin-skalaen – i sin tid havde betegnet som et højst usandsynligt udfald.
Allerede i 1913 fik Heike Kammerlingh Onnes Nobelprisen i fysik for sin opdagelse, og så gik jagten på superlederne for alvor ind.
Som ild og vand
Den opdagelse, som forskerne på Niels Bohr Institutet sammen med blandt andre de amerikanske forskningsinstitutioner Cornell University og Brookhaven National Laboratory samt det skotske University of St. Andrews i denne uge offentliggør i Science, handler om den seneste generation superledere, de jernbaserede.
De blev udviklet for syv-otte år siden af den japanske professor og materialeforsker ved Tokyo Institute of Technology, Hideo Hosono, og de fik virkelig videnskabsmænd over hele verden til at spærre øjnene op. Jern, der er magnetisk, betragtes nemlig traditionelt som uønsket i forbindelse med udvikling af superledere – fordi magnetisme og superledende egenskaber som udgangspunkt har samme indbyrdes forhold som vand og ild. Alligevel lykkedes det professor Hosono at konstruere en ny type superledere ved at bruge - og manipulere - visse jernforbindelser som byggemateriale, heriblandt jernselenium (FeSe).
Hosono stablede, populært fortalt, et stort antal ultratynde jernplader oven på hinanden - idet han mellem alle lag af disse jernforbindelser placerede en slags lim i form af tunge atomer. På den måde skabte han et materiale, der rent konstruktionsmæssigt minder om limtræ og har meget fine superledende egenskaber, siger Brian Møller Andersen: ”Og den superledende effekt opstår ved nedkøling til cirka -150 grader C”.
Men heller ikke Hosonos jernbaserede superledere er altså økonomisk rentable ved energitransmission. Desuden er det siden offentliggørelsen af denne opdagelse stadig helt uafklaret, hvad der er mekanismen bag de jernbaserede superledere – altså: hvad der genererer deres superledende tilstand? For hvordan kan man egentlig – i lyset af det meget lidt samarbejdsprægede forhold, der i udgangspunktet eksisterer mellem magnetisme og superledende egenskaber – forstå materialets fremragende superledende egenskaber?
Denne illustration er baseret på teoretisk forståelse af mikroskop-målinger udført af Cornell University. Der zoomes her ind på et udsnit af et 2-dimensionelt jernlag. Hele det gitter, man ser her, er cirka 10/milliontedele af 1 millimeter på hver led. De røde og de mørkeblå kløverlignende strukturer er to forskellige jernelektroner, der hver især er udtrykt på en særlig måde (orbital tilstand).
For at få superledning skal elektronerne låse sig sammen to og to. Det kaldes et Cooper-par – og det er her illustreret ved de lyseblå elipser. De lyseblå er superledende, mens de røde ikke danner Cooper-par, fordi de overvejende bidrager til systemets magnetisme. Det nye ved den videnskabelige artikel fra Niels Bohr Institutet, Cornell University, University of St. Andrews m.fl. er netop, at man her for første gang viser, at jernelektronerne opfører sig fundamentalt forskelligt i forbindelse med superledning. Grafik: Cornell University
Også i kobber
Det spørgsmål beskæftiger Brian Møller Andersen og hans kolleger sig med i Science-artiklen, som blandt andet påviser, at de fem ubundne elektroner der indgår i jern og dermed også i Hosonos jernbaserede superledere, har individuelle egenskaber og virkemåder. Det stod klart efter en række eksperimenter udført på Cornell University, hvorpå andre medlemmer af forskerteamet, heriblandt Brian Møller Andersen, omsatte disse måleresultater til noget, der kan forstås rent teoretisk.
Den videnskabelige artikel kan ikke give noget præcist og heldækkende svar på virkemåden i de jernbaserede superledere - der nærmest blev opdaget ved et tilfælde. Alligevel er det lykkedes forskerne at pege på forhold, der ikke tidligere har været beskrevet, fortæller Brian Møller Andersen:
”Nogle af de fem ubundne jern-elektroner, som indgår i Hosonos superledere, viste sig nemlig ved nærmere undersøgelse at vekselvirke særligt kraftigt med hinanden – og at have en tendens til at blive magnetiske. Og det er netop disse elektroner, som får de jernbaserede superledere til at virke – fordi de så at sige rydder det spor, der skal til, hvis materialet skal kunne transportere elektricitet helt uden modstand”.
Med denne opdagelse har forskerne også kunnet udvide forståelsen af virkningen bag en anden type af de nyeste superledere, de kobberbaserede. For i lighed med de jernbaserede superledere opererer de kobberbaserede også ved hjælp af kraftige elektron-vekselvirkninger og ved relativt høje temperaturer, siger Brian Møller Andersen:
”Alt i alt ser det ud som om vi kan være ved at nærme os en mere generel forklaring på superledning ved høje temperaturer. Lykkes det, vil denne viden kunne bruges i forsøget på at bygge helt nye og endnu mere effektive superledere”.
Den danske del af forskningen er støttet af Brian Møller Andersen’s Lundbeckfond fellowship.
Links til artiklen:
Brian Møller Andersen, Lektor ved condensed matter physics forskergruppen ved X-ray and Neutron Science, Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, Telefon: +45 35 32 04 19 Email: bma@nbi.ku.dk