Nylig banebrytende studie har vist de unike egenskapene til materiale grafen for en langsiktig mulighet for endelig å utvikle økonomiske og praktiske å bruke superledere.
A superleder er et materiale som kan lede (smitte) elektrisitet uten motstand. Denne motstanden er definert som noe tap av energi som oppstår under prosessen. Så, ethvert materiale blir superledende når det er i stand til å lede elektrisitet, på det bestemte 'temperatureller tilstand, uten frigjøring av varme, lyd eller annen form for energi. Superledere er 100 prosent effektive, men de fleste materialer må være ekstremt lave energi tilstand for å bli superledende, noe som betyr at de må være veldig kalde. De fleste superledere må avkjøles med flytende helium til svært lav temperatur på ca -270 grader Celsius. Derfor er enhver superledende applikasjon vanligvis kombinert med en slags aktiv eller passiv kryogen/lavtemperaturkjøling. Denne kjøleprosedyren krever en overdreven mengde energi i seg selv, og flytende helium er ikke bare veldig dyrt, men også ikke-fornybart. Derfor er de fleste konvensjonelle eller "lavtemperatur" superledere ineffektive, har sine begrensninger, er uøkonomiske, dyre og upraktiske for bruk i stor skala.
Høytemperatursuperledere
Feltet med superledere tok et stort sprang på midten av 1980-tallet da en kobberoksidforbindelse ble oppdaget som kunne superleder ved -238 grader Celsius. Dette er fortsatt kaldt, men mye varmere enn flytende heliumtemperaturer. Dette var kjent som den første "høytemperatur-superlederen" (HTC) som noen gang ble oppdaget, og vant Nobelprisen, selv om den bare var "høy" i en større relativ forstand. Derfor gikk det opp for forskere at de kunne fokusere på til slutt å finne superledere som fungerer, la oss si med flytende nitrogen (-196°C) som har det pluss at det er tilgjengelig i massevis og også er billig. Høytemperatursuperledere har også applikasjoner der det kreves svært høye magnetiske felt. Deres lavtemp-motstykker slutter å fungere ved rundt 23 teslaer (tesla er en enhet for magnetisk feltstyrke), så de kan ikke brukes til å lage flere sterkere magneter. Men superledende materialer med høy temperatur kan fungere på mer enn det dobbelte av feltet, og sannsynligvis enda høyere. Siden superledere genererer store magnetiske felt, er de en viktig komponent i skannere og svevende tog. For eksempel er MR i dag (Magnetic Resonance Imaging) en teknikk som bruker denne kvaliteten til å se på og studere materialer, sykdom og komplekse molekyler i kroppen. Andre bruksområder inkluderer lagring av elektrisitet i nettskala ved å ha energieffektive kraftledninger (eksempelvis kan superledende kabler gi 10 ganger så mye strøm som kobberledninger av samme størrelse), vindkraftgeneratorer og også superdatamaskiner. Enhetene som er i stand til å lagre energi i millioner av år kan skapes med superledere.
De nåværende høytemperatursuperlederne har sine egne begrensninger og utfordringer. Bortsett fra å være svært kostbare fordi de krever en kjøleanordning, er disse superlederne laget av sprø materialer og er ikke enkle å forme og kan derfor ikke brukes til å lage elektriske ledninger. Materialet kan også være kjemisk ustabilt i visse miljøer og ekstremt følsomt for urenheter fra atmosfæren og vann, og det må derfor være generelt innkapslet. Da er det bare en maksimal strøm som superledende materialer kan bære og over en kritisk strømtetthet brytes superledning ned og begrenser strømmen. Store kostnader og upraktiske problemer hindrer bruken av gode superledere, spesielt i utviklingsland. Ingeniørene, i fantasien, vil virkelig ha en myk, formbar, ferromagnetisk superleder som er ugjennomtrengelig for urenheter eller påført strøm og magnetiske felt. For mye å be om!
Grafen kan være det!
Det sentrale kriteriet for en vellykket superleder er å finne en høy temperatur superledningr, det ideelle scenariet er romtemperatur. Imidlertid er nyere materialer fortsatt begrenset og er svært utfordrende å lage. Det er fortsatt kontinuerlig læring på dette feltet om den nøyaktige metodikken disse høytemperatur-superlederne tar i bruk og hvordan forskere kan komme frem til et nytt design som er praktisk. En av de utfordrende aspektene ved høytemperatur-superledere er at det er svært dårlig forstått hva som virkelig hjelper elektronene i et materiale til å pare seg. I en fersk studie har det for første gang vist seg at materialet graphene har iboende superledende kvalitet og vi kan virkelig lage en grafen superleder i materialets egen naturlige tilstand. Grafen, et rent karbonbasert materiale, ble oppdaget først i 2004 og er det tynneste materialet som er kjent. Den er også lett og fleksibel med hvert ark består av karbonatomer anordnet sekskantet. Det er sett på å være sterkere enn stål, og det uttrykker mye bedre elektrisk ledningsevne sammenlignet med kobber. Dermed er det et flerdimensjonalt materiale med alle disse lovende egenskapene.
Fysikere ved Massachusetts Institute of Technology og Harvard University, USA, hvis arbeid er publisert i to artikler1,2 in Natur, har rapportert at de er i stand til å stille inn materialet grafen til å vise to ekstreme elektriske oppførsel - som en isolator der den ikke lar noen strøm passere og som en superleder som lar strøm passere uten motstand. Et "supergitter" av to grafenark ble laget stablet sammen rotert litt i en "magisk vinkel" på 1.1 grader. Dette spesielle overliggende sekskantede bikakemønsteret ble gjort for å potensielt indusere "sterkt korrelerte interaksjoner" mellom elektronene i grafenarkene. Og dette skjedde fordi grafen kunne lede elektrisitet med null motstand ved denne "magiske vinkelen", mens ethvert annet stablet arrangement holdt grafen som distinkt og det var ingen interaksjon med nabolagene. De viste en måte å få grafen til å anta en iboende kvalitet til superoppførsel på egen hånd. Hvorfor dette er svært relevant, er fordi den samme gruppen tidligere hadde syntetisert grafen-superledere ved å plassere grafen i kontakt med andre superledende metaller, slik at den kunne arve noen superledende atferd, men ikke kunne oppnå med grafen alene. Dette er en banebrytende rapport fordi grafens ledende evner har vært kjent en stund, men det er første gang noensinne at grafens superledning har blitt oppnådd uten å endre eller legge til andre materialer til den. Dermed kan grafen brukes til å lage en transistorlignende enhet i en superledende krets og superledning uttrykt av grafen kan inkorporeres i molekylære elektronikkenheter med nye funksjoner.
Dette bringer oss tilbake til all snakk om høytemperatur-superledere, og selv om dette systemet fortsatt måtte kjøles ned til 1.7 grader Celsius, ser produksjon og bruk av grafen til store prosjekter oppnåelig nå ved å undersøke dets ukonvensjonelle superledning. I motsetning til konvensjonelle superledere kan grafens aktivitet ikke forklares av den vanlige teorien om superledning. Slik ukonvensjonell aktivitet har blitt sett i komplekse kobberoksider kalt kuprater, kjent for å lede elektrisitet ved opptil 133 grader Celsius, og har vært fokus for forskning i flere tiår. Skjønt, i motsetning til disse cuprates, er et stablet grafensystem ganske enkelt og materialet er også bedre forstått. Først nå har grafen blitt oppdaget som en ren superleder, men materialet i seg selv har mange fremragende egenskaper som er kjent fra før. Dette arbeidet baner vei for en sterkere rolle for grafen og utvikling av høytemperatursuperledere som er miljøvennlige og mer energi effektiv og viktigst av alt fungerer ved romtemperatur og eliminerer behovet for dyr kjøling. Dette kan revolusjonere energioverføring, forskningsmagneter, medisinsk utstyr, spesielt skannere, og kan virkelig overhale hvordan energi overføres i våre hjem og kontorer.
***
{Du kan lese den originale forskningsoppgaven ved å klikke på DOI-lenken nedenfor i listen over siterte kilder}
Source (s)
1. Yuan C et al. 2018. Korrelert isolatoratferd ved halvfylling i grafen-supergitter med magisk vinkel. Natur. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Yuan C et al. 2018. Ukonvensjonell superledning i magisk vinkel grafen supergitter. Natur. https://doi.org/10.1038/nature26160
