Er superledere fremtidens mirakelmaterialer?
Superledende materialer kan ændre vores verden. Der er bare et par ret store udfordringer, der skal overvindes først.
SUperledere

Superledere kan transportere strøm helt uden energitab, hvilket har potentialet til at revolutionere vores verden. Problemet er bare det, at de kræver ganske besværlige omstændigheder for at fungere. (Foto: Shutterstock)

Superledere kan transportere strøm helt uden energitab, hvilket har potentialet til at revolutionere vores verden. Problemet er bare det, at de kræver ganske besværlige omstændigheder for at fungere. (Foto: Shutterstock)

Tænk hvis man kunne transportere strøm, helt uden at der gik energi tabt undervejs.

Så kunne man producere strøm, hvor end i verden det var lettest; fra blæsten ved Vesterhavet eller den bragende sol i Sahara.

Uden problemer kunne man sende strømmen derhen, hvor der var behov for det, i et kæmpe verdensomspændende net, som aldrig løb tør.

Der findes faktisk allerede materialer, hvor modstanden forsvinder fuldstændig. Det vil sige, at man allerede er i stand til at transportere strøm helt uden et energitab undervejs.

Vi kalder disse materialer for superledere.

Udover, at modstanden forsvinder, har superledere en anden spøjs egenskab: de skærmer fuldstændigt for magnetfelter. Dette kan udnyttes til eksempelvis at bygge svævende tog, som det er gjort, blandt andet i Kina og Japan.

Fakta
Om Forskerzonen

Denne artikel er en del af Videnskab.dk’s Forskerzonen, hvor forskerne selv formidler deres forskning, viden og holdninger til et bredt publikum – med hjælp fra redaktionen.

Forskerzonen bliver udgivet takket være støtte fra vores partnere: Lundbeckfonden, Aalborg Universitet, Roskilde Universitet og Syddansk Universitet.

Forskerzonens redaktion prioriterer indholdet og styrer de redaktionelle processer, uafhængigt af partnerne. Læs mere om Forskerzonens mål, visioner og retningslinjer her.

Superledere kræver ekstrem kulde

Der er dog en lille hage ved historien, som er årsagen til, at et verdensomspændende, modstandsfrit strømnet ikke allerede er en realitet, og at turen fra København til Stockholm stadig tager fem timer med tog.

De superledende materialer, vi indtil nu har fundet i naturen eller møjsommeligt har bygget i laboratorier, bliver nemlig ikke superledende, før de bliver kølet ned til ekstremt lave temperaturer.

Disse lave temperaturer er årsagen til, at det krævede en avanceret eksperimentel opstilling, før superledning i det hele taget blev opdaget af den hollandske fysiker Kamerlingh Onnes i 1911.

I sit laboratorie lykkedes det ham at fremstille helium på flydende form, hvilket kræver en temperatur på -269 grader Celsius (altså, kun omkring fire grader over det absolutte nulpunkt, den laveste temperatur mulig).

Da han efterfølgende brugte den flydende helium til at undersøge modstanden i kviksølv ved disse lave temperaturer, fandt han højest overraskende, at al modstand forsvinder.

Hvorfor stopper strømmen ikke?

Dette resultat kom bag på fysikere verden over og gik imod den gængse forståelse af, hvordan strøm ledes gennem et metal.

Resultatet betyder for eksempel, at hvis en strøm løber rundt i en superledende ledning, der et formet som en ring, vil den blive ved med at løbe til evig tid (så længe ledningen holdes kold nok).

Det er altså helt anderledes end almindelige ledninger, hvor strømmen straks stopper, når vi hiver ledningen ud af stikkontakten. Strømmen holder op med at løbe, fordi der er modstand indeni ledningen (se boksen under artiklen), som får elektronerne til at stoppe på deres vej gennem materialet. Og uden løbende elektroner er der ingen strøm.

Hvordan kan det så være, at det samme ikke sker i de superledende materialer?

Det var spørgsmålet, som de helt store teoretiske fysikere – heriblandt også Einstein - tumlede med i næsten 50 år, før det endelig lykkedes tre fysikere at finde en god model for superledning.

Den udgør stadig fundamentet for forskningen i superledning og indeholder muligvis forklaringen på, hvorfor vi ser superledning ved stuetemperatur i nogle hydrogen- og svovl-baserede materialer.

Elektroner danner par

De tre fysikere John Bardeen, Leon Cooper, og John Schrieffer opdagede, at elektronerne går sammen i par, og det er disse ’Cooper-par’, der udgør de nye fundamentale byggesten i superlederen.

Netop ved at gå sammen to og to, bliver elektronerne i stand til at ignorere små forhindringer på deres vej gennem materialet. Herved undgår de at miste energi ved at ramme ind i noget undervejs.

Kun ved meget store forhindringer, går det galt, og den superledende egenskab bliver ødelagt. Hvornår dette sker afhænger af, hvor godt parrene hænger sammen, og det er forskelligt fra materiale til materiale.

For at forstå, hvorfor dannelsen af elektronpar er så mærkelig, skal man huske på, at elektroner normalt frastøder hinanden på grund af deres negative ladning. Dette giver derfor ikke anledning til dannelsen af elektronpar – tværtimod!

Nøglen til dannelsen af elektronpar kommer derimod fra den vekselvirkning, der opstår gennem det materiale, som udgør elektronernes omgivelser.

Et fast materiale kan beskrives som et stort gitter af positive ioner som illustreret i figuren til venstre nedenfor.

(Illustration: Morten Holm Christensen og Astrid Tranum Rømer)

Fordi de negativt ladede elektroner tiltrækkes af de positivt ladede ioner, skabes et område med en større koncentration af positiv ladning (midterste figur ovenfor).

Denne positive ladningskoncentration kan så tiltrække en ny elektron, som nu siges at indgå i et Cooper-par med den elektron, der forårsagede forstyrrelsen til at begynde med (figuren til højre ovenfor).

Fysikere taler derfor om, at de to elektroner er tiltrukket af hinanden, og vi kalder en sådan tiltrækning for effektiv tiltrækning; den er fuldstændig afhængig af ion-gitteret og ville aldrig opstå mellem to elektroner, hvis disse var alene i verden. 

Tiltrækningen afhænger af vægt

Det er vigtigt at bemærke, at den effektive tiltrækningskraft afhænger af, hvor tunge ionerne i gitteret er.

Groft sagt bliver materialer, der består af lettere ioner, superledende ved højere temperaturer end materialer, der består af tungere ioner.

Det skyldes, at tungere ioner er sværere at flytte på, og det betyder, at der dannes mindre udsving i gitteret. Dette giver en mindre tiltrækning for de tunge ioner, og det kan måles, ved at materialet skal køles endnu længere ned for at blive superledende.

Dette er vist på figuren nedenfor. Når en elektron bevæger sig igennem et gitter bestående af ioner, bliver gitteret påvirket mere, hvis ionerne ikke vejer så meget. Da de tunge og lette ioner har samme ladning, bliver ladningskoncentrationen større for de lette ioner.

Illustration: Morten Holm Christensen og Astrid Tranum Rømer.

Det er derfor oplagt at spørge, om man, ved at lege med ionerne i gitteret, kan få optimeret tiltrækningen mellem elektronerne og dermed opnå et materiale, der bliver superledende ved højere temperaturer.

Derfor har man vendt blikket mod materialer, der består af så lette atomer som muligt.

Kampen for at gøre hydrogen metallisk

Det simpleste, man kan forestille sig, er hydrogen, som består af kun en enkelt proton og en enkelt elektron.

Desværre er hydrogen på gasform selv ned til meget lave temperaturer, og ionerne danner derfor aldrig et gitter, der kan føre til den ønskede effektive tiltrækning blandt elektronerne.

Derfor har fysikere længe arbejdet på metoder, hvorved man kan få hydrogen til at krystallisere, altså danne et gitter og derved blive metallisk. Selvom dette endnu ikke er opnået for rent hydrogen, lykkedes det fysikere at få det beslægtede molekyle, H3S, til at blive metallisk tilbage i 2015.

Den kritiske ingrediens er et helt ekstremt tryk på næsten to millioner gange atmosfærisk tryk, altså to millioner gange trykket ved havets overflade. Til sammenligning er trykket i jordens kerne omkring tre millioner gange større end trykket ved havets overflade.

Så ekstreme betingelser kan kun skabes mellem diamanter specielt indrettet til formålet.

Under et så ekstremt tryk krystalliserer H3S og er superledende helt op til -70 grader Celsius.

For at demonstrere, at den effektive tiltrækning mellem elektronerne afhænger af, hvor tunge ionerne i gitteret er, erstattede fysikerne hernæst hydrogen med deuterium.

Deuterium er en udgave af hydrogen, der, udover en proton og en elektron, har en ekstra neutron og derfor er omtrent dobbelt så tung som almindeligt hydrogen.

I dette tilfælde indtræder superledning først ved -120 grader Celsius, omtrent 50 grader lavere, end når der bruges almindeligt hydrogen.

Vi er tættere på end nogensinde

Der arbejdes nu på højtryk for at finde materialer, der bliver metalliske ved lavere tryk. Håbet er ikke blot at finde en superleder, der fungerer ved stuetemperatur, men også en, der ikke kræver, at man står i Jordens indre, for at den virker.

Siden opdagelsen af superledning i H3S har fysikerne forsøgt sig med ekstremt tryk på en række andre materialer.

Det mest succesfulde eksperiment er blevet udført på en blanding af kulstof, hydrogen og svovl, hvilket er superledende op til 14 grader Celsius. Dette kræver desværre et endnu højere tryk end for H3S - op mod 2,7 millioner gange trykket ved havets overflade.

Nuvel, det er ikke betingelser, man finder i enhver stue, men vi er tættere på målet end nogensinde før, og måske er den næste landvinding lige om hjørnet?

Fysikere arbejder lige nu på højtryk for at finde et materiale, der nok kræver højt tryk for at blive metallisk, men som bibeholder dets struktur selv ved lavere tryk. En sådan opdagelse ville i sandhed revolutionere vores verden.

Morten Holm Christensen modtager støtte til sin forskning fra Carlsbergfondet.

Hvad er et metal? Og hvorfor kræver det energi at transportere strøm?

Et metal er et materiale, der kan lede strøm.

Alle materialer består af atomer organiseret i en såkaldt gitterstruktur.

Et atom består af lige mange elektroner og protoner, udover et vist antal neutroner.

Derfor har atomer ingen ladning – de negativt ladede elektroner kompenseres nøjagtigt af de positivt ladede protoner. Protonerne (og neutronerne) befinder sig i kernen, som er omkranset af skaller bestående af elektroner. I hver skal kan der kun være et bestemt antal elektroner.

Når atomer organiseres i gitterstrukturer, kan elektronerne i de yderste skaller - dem, der hænger svagest sammen med kernen – blive frigjort fra deres respektive atomer og dermed bevæge sig rundt i gitteret. Et metal er dannet.

Fordi disse elektroner kan bevæge sig igennem gitteret, er det dem, der gør, at metallet kan lede strøm. Elektronerne bevæger sig dog ikke frit. Deres vej gennem materialet besværliggøres af tilstedeværelsen af gitteret samt alle de andre elektroner, der også suser omkring.

Resultatet er, at elektronerne mister energi, og det er dette energitab, der kommer til udtryk som en modstand.

I en superleder kan elektronerne bevæge sig rundt uden at miste energi undervejs

Alle må bruge og viderebringe Forskerzonens artikler

På Forskerzonen skriver forskere selv om deres forskning. Vi mener, det er vigtigt, at alle får mulighed for at læse om forskning fra forskerens egen hånd.

Alle må derfor bruge, kopiere og viderebringe Forskerzonens artikler udfra følgende enkle krav:

  • Det skal krediteres: 'Artiklen er oprindelig bragt på Videnskab.dk’s Forskerzonen, hvor forskerne selv formidler'. Hvis artiklen bringes på web, skal der linkes til artiklen på Forskerzonen.
  • Artiklen må ikke redigeres og skal bringes i fuld længde (medmindre andet aftales med forskeren).
  • Du skal give forskeren besked om, at du genpublicerer.
  • Artikler, som er oversat fra The Conversation, skal have indsat en HTML-kode til indsamling af statistik i bunden. HTML-koden finder du i den originale artikel på The Conversations hjemmeside ved at klikke på knappen "Republish this article" ude til højre, derefter klikke på 'Advanced' og kopiere koden. Du finder linket til artiklen på The Conversation i bunden af Forskerzonens oversatte artikel. 

Det er ikke et krav, men vi sætter pris på, at du giver os besked, hvis du publicerer vores indhold (undtaget indhold fra The Conversation). Skriv til redaktør Anders Høeg Lammers på ahl@videnskab.dk.

Læs mere om Forskerzonen i Forskerzonens redaktionelle retningslinjer.

DOI - Digital Object Identifier

Artikler, produceret til Forskerzonen, får tildelt et DOI-nummer, som er et 'online fingeraftryk', der sikrer, at artiklerne altid kan findes, tilgås og citeres. Generelt får forskningsdata og andre forskningsobjekter typisk DOI-numre.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Corona-tal

Videnskab.dk går i dybden med den seneste corona-forskning. Læs vores artikler i temaet her.

Hver dag opdaterer vi også de seneste tal.

Dyk ned i grafer om udviklingen i antal smittede, indlagte, døde og vaccinationer i Danmark og alle andre lande.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's videojournalister med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs mere om det utroligt velbevarede dinosaur-foster, som du kan se herunder.

Hej! Vi vil gerne fortælle dig lidt om os selv

Nu hvor du er nået helt herned på vores hjemmeside, er det vist på tide, at vi introducerer os.

Vi hedder Videnskab.dk, kom til verden i 2008 og er siden vokset til at blive Danmarks største videnskabsmedie med 1 million brugere om måneden.

Vores uafhængige redaktion leverer dagligt gratis forskningsnyheder og andet prisvindende indhold, der med solidt afsæt i videnskabens verden forsøger at give dig aha-oplevelser og væbne dig mod misinformation.

Vores journalister fortæller historier om både kultur, astronomi, sundhed, klima, filosofi og al anden god videnskab indimellem - i form af artikler, podcasts, YouTube-videoer og indhold på sociale medier.

Vi stiller meget høje krav til, hvordan vi finder og laver vores historier. Vi har lavet et manifest med gode råd til at finde troværdig information, og vi modtog i 2021 en fornem pris for vores guide til god, kritisk videnskabsjournalistik.

Vores redaktion gør en dyd ud af at få uafhængige forskere til at bedømme betydningen af nye studier, og alle interviewede forskere citat- og faktatjekker vores artikler før publicering.

Hvis du går rundt og undrer dig over stort eller småt, vil vi elske at høre fra dig og forsøge at give dig svar med forskernes hjælp. Send bare dit spørgsmål til vores brevkasse Spørg Videnskaben.

Vi håber, at du vil følge med i forskningens forunderlige opdagelser her på Videnskab.dk.

Få et af vores gratis nyhedsbreve sendt til din indbakke. Du kan også følge os på sociale medier: Facebook, Twitter, Instagram, YouTube eller LinkedIn.

Med venlig hilsen

Videnskab.dk