Superledning

Materialer med nul elektrisk modstand

De fleste kender til, at elektriske apparater bliver varme, når de anvendes. Dette skyldes den modstand, der fremkommer, når elektronerne bevæger sig igennem ledninger og andre materialer i apparatet.

I vores huse føres strømmen rundt gennem kobberledninger, og jo renere dette kobber er, jo mindre er modstanden.

Men er ledningerne meget lange, vil der være et betragteligt energitab, når man sender strøm igennem dem. Modsat hvad man skulle tro, bliver energitabet mindre, når den elektriske spænding er høj.

Dette er grunden til, at man transformerer elektriciteten til højspænding, når man skal flytte strømmen over større afstande. Men stadig er energitabet et problem, hvis strømmen skal gennem flere tusinde kilometer kabler.

Der findes imidlertid materialer, hvor modstanden forsvinder fuldstændigt. Det vil sige, at man i princippet kan transportere strøm helt uden energitab, og derved helt gøre højspænding overflødigt. Det lyder jo forjættende, og det er også både fantastisk og lidt magisk, at sådanne superledende materialer eksisterer.

Dette har man imidlertid vidst længe, lige siden den hollandske fysiker H. Kammerlingh-Onnes i 1911 opdagede, at kviksølv mister al elektrisk modstand, når det køles med flydende helium til 4.2 K – altså 4.2 grader over det absolutte nulpunkt (som er -273.15 Celcius).

Siden er der opdaget rigtig mange superledende materialer, og heldigvis også nogen, som bliver superledende ved højere temperaturer.

Faktisk blev der I 2020 fundet superledning ved 287 K, eller 14^o C, men dog kun under voldsomt højt tryk. Vi mangler stadig at finde “de vises sten”, som kan føre os til at kunne fremstille et materiale, der er superledende ved stuetemperatur og normalt atmosfærisk tryk.

De mange superledere

Der er gennem tiden fundet mange forskellige typer superledere. Billedet herunder illustrerer udviklingen, hvor superlederne er placeret efter hvornår de blev opdaget, og efter ved hvilken temperatur de bliver superledende.

Man ser, at udviklingen var langsom indtil ca. 1980, hvor efter mange flere nye superledere blev opdaget årligt. Det er også først i 1987, at et materiale blev målt til at være superledende over 50 K.

Elektronernes pardans

Det tog sin tid og mange fejlslagne forklaringsforsøg, før et fysiker-trekløver i 1957 lykkedes med en mikroskopisk teori for superledning. Teorien beskriver, hvordan elektronerne vekselvirker med hinanden og de omgivende atomer, og derved kan opnå en tilstand uden elektrisk modstand.

Det var et overraskende resultat, opdaget af den unge fysiker L. N. Cooper, der satte gang i sagerne. Han fandt, at hvis to elektroner i et metal mærker en tiltrækning mellem sig, så vil de forme et par. Også selvom denne tiltrækning er nok så lille.

Dette lyder besynderligt, eftersom vi ved, at elektroner vil frastøde hinanden på grund af deres negative ladning. Men eftersom atomerne ikke er alene i verden, men er bundet inde i materialet, hvor der er positive og negative ladninger overalt, kan sådanne par alligevel opstå.

Elektronparrene er ikke overraskende blevet kaldt for Cooperpar, og de udgør de fundamentale byggesten i en superleder.

Opdagelsen blev startskuddet til, at Cooper sammen med to andre fysikere, J. Bardeen og J. R. Schrieffer, formulerede en teori (BCS teorien), der kan forklare superledning både i kviksølv og andre metaller. Den er med rette blevet kaldt en af kvantemekanikkens absolutte successer.

Tiltrækningen mellem de to elektroner kommer fra vibrationer udført af de positive ioner, som udgør det krystalgitter, som metallet er opbygget af. Gitteret er vist med sorte prikker i figuren, der viser en forsimplet fremstilling af elektron-elektron vekselvirkningen.

Kobberlagkager

I kølvandet på BCS teorien forsøgte man sig med endnu mere præcise beregninger, som tog udgangspunkt i de konkrete krystalstrukturer og deres vibrationer.

Kunne man forudsige den kritiske temperatur for forskellige materialer, og måske derved komme med forslag til de mest optimale strukturer, der ville give superledning ved højest mulig temperatur? Det var det store spørgsmål.

På det tidspunkt forestillede man sig, at det ville være bedst at undgå materialer med tendens til at blive magnetiske. Dette skyldes en anden karakteristisk egenskab ved superledning: At magnetiske felter afbøjes fuldstændig omkring superlederen, og at man kan ødelægge superledningen, ved at placere materialet i et kraftigt magnetisk felt.

Derfor var overraskelsen stor, da to eksperimentalister, J. G. Bednorz og K. A. Muller, i 1986 fremstillede en ny type superleder med “lagkage-struktur”, hvor den vigtigste bestanddel er kobber og ilt, og som i udgangspunkt er en magnetisk isolator. Strukturen af disse krystaller er vist på figuren herunder.

Mellem lagene er der ioner af sjældne jordarter, og alt efter den konkrete sammensætning og dotering – hvor man udskifter en procentdel af La-ionerne med f.eks. Ba-ioner – fandt de et isolerende materiale, et metal, eller en superleder! Og hvad mere var, den kritiske temperatur for disse materialer var uset høj.

Faktisk fandt man kort efter en superleder, hvor det er stedet var yttrium og barium, der udgjorde fyldet i lagkagen, og den var så god, at den kunne være superledende over kogepunktet for kvælstof, og at man derfor kunne begynde at anvende den mere til praktiske formål.

Men nu blev der stor undren blandt forskerne: hvordan kunne det lade sig gøre at lave et materiale, der var superledende ved så høje temperaturer?

Beregninger af gittervibrationer, der hidtil havde virket så godt, kunne slet ikke forklare dette. Og selvom de superledende temperaturer stadig er lave set fra vores “normale” verden, så var døren nu åbnet til en helt ny klasse af materialer, hvor den mikroskopiske vekselvirkning mellem elektronerne muligvis var en helt anden.

Hvordan kan neutroner hjælpe os til at forstå superledning?

Neutroner er en af bestanddelene af atomkernen. En neutron kan ændre retning, når den skydes ind i et materiale, lidt på samme måde som lys kan reflekteres i bestemte retninger, hvis det møder et optisk gitter (et sæt af mikroskopiske riller, som f.eks. en CD).

Neutronens afbøjningsvinkel vil afhænge af afstanden mellem atomerne. På denne måde kan vi måle materialets opbygning. Men neutroner har også et lille magnetisk moment, og derfor kan vi på tilsvarende måde måle de magnetiske egenskaber af materialet, f.eks. de magnetiske fluktuationer i superlederen.

Måling med neutroner foregår ikke i Danmark, men på store udenlandske forskningsfaciliteter, som PSI i Schweiz eller ILL i Grenoble. Fra 2025 vil denne del af forskningen blive fokuseret på Lund i Sverige, hvor verdens største neutronfacilitet, ESS, - det står for European Spallation Source - til den tid vil stå klar. 

ESS Fyrtårn for Magneter og Kvantematerialer (Q-MAT)

Vores nydannede forskningscenter (“Fyrtårn”) er lavet i samarbejde mellem fysik, kemi og ingeniørvidenskab på 6 af landets universiteter for i fællesskab at forstå opførelsen af en række komplekse magnetiske materialer. Her er de ukonventionelle superledere et af de særlige fokuspunkter.

• De nye superledende materialer laves først og fremmest på Københavns Universitet, i et samarbejde mellem Niels Bohr Institutet og Kemisk Institut.
• Materialernes egenskaber studeres med en lang række målemetoder, hvor udstyret findes fordelt over hele landet.
• Der er særlig fokus på at måle superledernes egenskaber ved hjælp af afbøjning af stråler af neutroner. Her glæder vi os især til åbningen af ESS, som vil give os helt nye muligheder for denne type målinger.

Teorien for superledning udarbejdes på Niels Bohr Institutet, i samarbejde med andre førende, internationale eksperter. Ved hjælp af de teoretiske fremskridt kan vi bedre fortolke de eksperimentelle resultater og give det rigtige input til kemikerne om, hvilke typer af materialer, der kunne være de næste nye superledere.