Dansk forsker med til at løse gåde om superledere
10 juli 2017

Københavns Universitets Niels Bohr Institut har spillet en stor rolle i en international forskningsindsats, der har søgt at løse et af den moderne fysiks store gåder.

Gåden om de jernbaserede superledere.

Hvad er en superleder?

En superleder er et materiale, der kan lede elektricitet uden elektrisk modstand og dermed uden spild af energi.

I en almindelig ledning mister elektriciteten en stor mængde energi, da den hele tiden støder på ting. En superleder er i realiteten en ledning uden modstand.

Materialerne skal dog altid køles godt ned mod det absolutte nulpunkt ved -273,15 grader C, før den ønskede superledende tilstand indtræder.

Derfor kræver det ekstreme mængder energi at fremprovokere den superledende tilstand.

Kilde: Niels Bohr Instituttet

Hvis du ikke ved eller har glemt, hvad en superleder er, og hvorfor det er vildt, så hæng på her.

En normal ledning flytter elektricitet fra et sted til et andet. 

Superledere gør det samme - bare meget bedre.

I en almindelig ledning mister elektriciteten nemlig en stor mængde energi, da den hele tiden støder på ting. En superleder flytter elektriciteten helt uden energitab.

Hvis superledere blive lettere og billigere at anvende, giver det os mulighed for at revolutionere vores samfund, som vi kender det i dag. For eksempel ved at skabe langt hurtigere transport, som man kender det fra de japanske lyntoge, der kører med over 600 km/t, eller lagre elekticitet helt uden at tabe energi.

Derfor skabte det chokbølger blandt fysikere verden over, da metal og andre jernbaserede materialer for syv-otte år siden blev opdaget som effektive superledere af elektricitet.

Først og fremmest fordi, jernbaserede superledere fungerer ved en temperatur på minus 150 grader. Normalt fungerer materialers superledende egenskab først optimalt ved en temperatur på minus 273,15 grader, og den nedkøling kræver store mængder energi.

Jo varmere temperaturerer man kan få superledende materialer til at virke under, desto billigere og mere anvendeligt bliver det. At kunne skabe superledning ved stuetemperatur er et form for ideal mål. 

For det andet blev chokbølgerne skabt af den umiddelbare fysiske nonsens ved opdagelsen.  

Jern er magnetisk og burde være en dårlig superleder, fordi magnetisme og superledende egenskaber som udgangspunkt er modsætninger.

Heraf kommer gåden.

Det har nemlig ikke været helt klart, hvad mekanismen bag de jernbaserede superledere er – altså: hvad der genererer deres superledende tilstand i lige netop jern.  

Men nu har Niels Bohr Instituttet (NBI) og en række andre videnskabelige institutioner i Europa og USA publiceret en banebrydende artikel om jerns evne som superleder i tidsskriftet Science.

»Det er en viden, der kan blive nyttig, når man hen ad vejen vil prøve at skræddersy nye superledere,« fortæller lektor i fysik ved Niels Bohr Institutet Brian Møller Andersen, der har været en del af forskningsholdet i en pressemeddelelsen til Niels Bohr Instituttet. 

Forskningen er med til at kaste lys over, hvorfor og hvordan materialer baseret på jern kan rumme fine superledende egenskaber.

De jernbaserede superledere blev opdaget af den japanske professor og materialeforsker ved Tokyo Institute of Technology, Hideo Hosono for syv-otte år siden.

Hideo Hosono stablede, populært fortalt, et stort antal ultratynde jernplader oven på hinanden, og imellem alle disse lag af jernforbindelser placerede han 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.

I Science-artiklen er forskerne blandt andet kommet frem til, at de fem ubundne elektroner der indgår i jern og dermed også i Hosonos jernbaserede superledere, har individuelle egenskaber og virkemåder.

Det er med til at pege på forhold, der ikke tidligere har været beskrevet.

»Nogle af de fem ubundne jern-elektroner, som indgår i Hosonos superledere, viste sig 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,« fortæller Brian Møller Andersen i pressemeddelelsen.

Med opdagelsen kan forskerne også være med til at udvide forståelsen af den nyeste type superleder, nemlig den kobberbaserede.

Ligesom med de jernbaserede superledere opererer de kobberbaserede også ved hjælp af kraftige elektron-vekselvirkninger og ved relativt høje temperaturer

»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. Her fortæller han om forskningen i en video fra 2012. (Video: Lundbeckfonden)

fghs

Ovenstående er udvalgt og resumeret af Videnskab.dk, men redaktionen har ikke udført selvstændig research. Gå til den oprindelige kilde for flere detaljer.