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 is a material which can conduct (transmit) elektrisitet without resistance. This resistance is defined as some loss of energi which occurs during the process. So, any material becomes superconductive when it is able to conduct electricity, at that particular ‘temperatur’ or condition, without release of heat, sound or any other form of energy. Superconductors are 100 percent efficient but most materials require to be in an extremely low energi state in order to become superconductive, which means that they have to be very cold. Most superconductors need to be cooled with liquid helium to very low temperature of about -270 degrees Celsius. Thus any superconducting application is generally coupled with some sort of active or passive cryogenic/low temperature cooling. This cooling procedure requires an excessive amount of energy in itself and liquid helium is not only very expensive but also non-renewable. Therefore, most conventional or “low temperature” superconductors are inefficient, have their limits, are uneconomical, expensive and impractical for large scale use.
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.
This brings us back to all the talk on high-temperature superconductors and though this system still needed to be cooled to 1.7 degrees Celsius, producing and using graphene for large projects looks achievable now by investigating its unconventional superconductivity. Unlike conventional superconductors graphene’s activity cannot be explained by the mainstream theory of superconductivity. Such unconventional activity has been seen in complex copper oxides called cuprates, known to conduct electricity at up to 133 degrees Celsius, and has been the focus of research for multiple decades. Though, unlike these cuprates, a stacked graphene system is quite simple and the material is also understood better. Only now graphene has been discovered as a pure superconductor, but the material in itself has many outstanding capabilities which are previously known. This work paves way for a stronger role of graphene and development of high-temperature superconductors that are environment-friendly and more energi efficient and most importantlyfunction at room temperature eliminating the need for expensive cooling. This could revolutionize energy transmission, research magnets, medical devices especially scanners and could really overhaul how energy is transmitted in our homes and offices.
***
{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
