Nyheter och press

Nya rön om supraledare innebär ännu ett steg mot energismarta tillämpningar

2014-11-12

Materialforskare vid Uppsala universitet, Linköpings universitet och Chalmers Tekniska Högskola har gjort ett genombrott när det gäller förståelsen av hur mekanismen för supraledning i kopparbaserade högtemperatur-supraledare fungerar. Det betyder ett litet men viktigt steg närmare supraledning utan kylning.

Forskarna från de tre lärosätena har samarbetat med forskare på synkrotronljusanläggningen Swiss Light Source (SLS) i Schweiz och tillsammans undersökt supraledaren YBa2Cu3O7-x (kort YBCO) med hjälp av avancerad röntgenspektroskopi. YBCO är ett välkänt keramisk kopparbaserat material som kan leda ström utan förlust (supraledning) när den kyls ner under -183° C. Eftersom resistansen och energiförlusterna är noll i supraledare finns det många tekniska och energisparande elektriska tillämpningar. Elektromagneter i elmotorer kan till exempel göras mindre med kraftigare magnetfält, vilket ger högre effekt och lägre energiförbrukning. Inom transportsektorn kan magnetsvävande tåg nå högre hastigheter genom försumbar friktion mot rälsen. För att kunna slippa nedkylning helt är ett av de stora målen inom forskningsområdet att försöka hitta ett material som är supraledande vid rumstemperatur.

Det är dock fortfarande inte helt klarlagt vilken mekanism som ligger bakom processen då det händer vid relativt hög temperatur, dvs. ovanför kväves kokpunkt (-196° C). Nu har dock forskarna gjort en upptäckt som kan kasta nytt ljus över detta.
 
Både röntgenabsorptionsspektroskopi (XAS) och resonant inelastisk röntgenspridning (RIXS) användes som mätmetoder på YBCO vid rumstemperatur samt vid -258° C, vilket är långt under dess övergångstemperatur för supraledning. Vad som gör YBCO speciellt som supraledare är att det är uppbyggt av två typer av strukturella enheter; dels staplade ”plan” av kopparoxid vilka antas bära den supraledande strömmen samt ”kedjor” av kopparoxid. Kedjornas roll i YBCO har förbryllat forskarna ända sedan upptäckten av detta materials supraledande egenskaper år 1987.
 
I motsats till tidigare antaganden att kedjorna skulle var passiva under avkylningen visar de nya experimentella resultaten att kedjorna i YBCO i själva verket reagerar genom att förse kopparoxidplanen med positiv laddning (elektron-hål), så kallad självdopning. Genom att kombinera RIXS och modellberäkningar lyckades forskarna sedan slå fast att detta sker genom förändringar hos koppar-syre-bindingar som kopplar ihop planen och kedjorna.

-    Denna banbrytande nyhet om YBCOs självdopning utmanar alltså den traditionella bilden av mekanismen för supraledning i kopparbaserade högtemperatur-supraledare. Den har förutsatt en konstant dopningsnivå i kopparoxidplanen. Nu kommer en rad tidigare temperaturberoende experiment att behöva omtolkas utifrån dessa rön, säger Laurent Duda, forskare vid Ångströmlaboratoriet.

Härnäst planerar forskarna att utföra en än mer detaljerad temperaturberoende studie för att bestämma om omstruktureringen inträder samtidigt som fasövergången till supraledning eller om det händer redan vid högre temperatur i den så kallade pseudogap-regionen.

Artikel: Self-doping processes between planes and chains in the metal-to-superconductor transition of YBa2Cu3O6.9; M. Magnuson, T. Schmitt, V.N. Strocov, J. Schlappa, A. S. Kalabukhov and L.-C. Duda; Scientific Reports 4, 717 (2014). DOI: 10.1038/srep07017, Published: 12 November 2014.

Kontakt:
Laurent Duda, universitetslektor i fysik, 018-471 35 12, eller laurent.duda@physics.uu.se