Med potentialen att göra tekniska komponenter 1000 gånger mer energieffektiva, är jakten på en supraledare som kan fungera vid rumstemperatur en av fysikens heliga graler. Forskare vid Chalmers tekniska högskola, Politecnico i Milano och Sapienza i Rom har nu löst ett stort mysterium hos så kallade kuprater, en högtemperatursupraledare som har förbryllat forskare i decennier. Upptäckten är en viktig pusselbit i förståelsen av supraledare och tros bana väg för en grönare framtid.
Supraledande material gör det möjligt att överföra elektrisk energi med noll motstånd och 100 procent verkningsgrad – till skillnad från konventionella ledande material där energi delvis går förlorad i form av värme. Men de flesta supraledande material kan idag endast fungera vid så låga temperaturer som – 269 grader Celsius, vilket i sin tur är enormt energikrävande och gör dem svåra att tillämpa i praktiken.
Ett mystiskt undantag i världen av supraledande material är kuprater: ett kopparoxidmaterial som leder elektricitet med noll motstånd också vid temperaturer långt över den hos normala supraledare, upp emot närmare – 140 grader Celsius. Fenomenet har fått den att kallas för en ”märklig metall”. Även om det är ett känt faktum att det elektriska motståndet i kuprater förändras med temperaturen på ett sätt som skiljer sig från vanliga metaller, har forskare fortfarande inte kunnat förklara varför.
Nu har forskare från Chalmers tekniska högskola, Politecnico i Milano och Sapienza i Rom lyckats lösa ett viktigt mysterium hos denna högtemperaturs-supraledare. Upptäckten är en viktig milstolpe i jakten på supraledare som fungerar i rumstemperatur och kan nu bana väg för mer hållbar teknik och bidra till en grönare framtid.
– Den här upptäckten utgör ett viktigt framsteg i förståelsen av inte bara de anomala metalliska egenskaperna hos kuprater, utan också av de fortfarande oförklarliga mekanismerna bakom högtemperatursupraledning, säger Riccardo Arpaia, huvudförfattare och forskare i kvantkomponentfysik vid Chalmers som har koordinerat studien tillsammans med Politecnico i Milano.
Stödjer teorin om förekomsten av en kvantkritisk punkt
I studien, publicerad i Nature Communications, har forskarna lyckats visa på förekomsten av en kvantkritisk punkt kopplad till materialets märkliga beteende – en redan existerande teori inom området som forskningsprojektet alltså nu kan stödja.
Forskningen baseras på röntgenspridningsexperiment utförda vid European Synchrotron ESRF i Grenoble och vid den brittiska synkrotronen DLS. I studien avslöjas förekomsten av laddningsfluktuationer som påverkar det elektriska motståndet hos kuprater på ett sätt som får dem att uppföra sig ”märkligt”. Genom att göra systematiska mätningar av hur energin för dessa laddningsfluktuationer varierar kunde forskarna identifiera värdet på den laddningsbärardensitet då energin är som lägst: den kvantkritiska punkten.
Framsteget tar forskare inom fältet ett steg närmre möjligheten att kunna designa och skapa nya supraledande material som kan fungera också i rumstemperatur.
– Tack vare många mätningar och nya dataanalysmetoder har vi kunnat bevisa förekomsten av den kvantkritiska punkten. En bättre förståelse för kuprater kommer att kunna visa vägen i utformningen av ännu bättre material, med högre kritiska temperaturer, som är lättare att nyttja i morgondagens teknologier, säger Giacomo Ghiringhelli, professor vid fysikavdelningen vid Politecnico i Milano och koordinator för forskningen tillsammans med Chalmers.
Läs mer om studien:
Signature of quantum criticality in cuprates by charge density fluctuations
