Er superledere fremtidens mirakelmaterialer?

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.

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.

\ Læs mere

En 'magisk vinkel' gør grafen superledende

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.

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.

\ Læs mere

Sammenfiltrede elektroner splittet med nanotråde

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.

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.

\ Læs mere

Strøm uden energitab: Forsker studerer 2D-materialer for at finde fremtidens superledere

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.

\ Læs mere

»Milepæl«: Ny superleder fungerer ved stuetemperatur