Supraledande material upptäckt med unik kod

Det var för fem år sedan som Peter Oppeneer, professor i materialteori vid institutionen för fysik och astronomi vid Ångströmlaboratoriet, bestämde sig för att rikta sitt intresse mot supraledare. Då saknades vetenskapliga verktyg för att förutsäga om ett material blir supraledande och vid vilken temperatur det i sådana fall sker. Tillsammans med bland andra Alex Aperis, forskare i materialteori vid Ångströmlaboratoriet, startade arbetet med att utveckla ”Uppsala superconductivity code” – den kod forskarna nu alltså visat kan användas till just sådana förutsägelser. Det gäller både när det handlar om att undersöka befintliga material och att designa nya.

– Det som fascinerar mig är att vi nu kan förstå saker med en oerhörd precision. Vår förståelse av supraledare blir mycket djupare och bredare. Vi får mängder av information som vi inte kunde få tidigare, säger Peter Oppeneer.

– Ja precis, nu kan vi titta på ett material och på atomnivå avgöra vad som händer istället för att förlita oss på modeller, säger Alex Aperis.

Öppnar nya dörrar för forskningen

Båda forskarna tycker att det är mycket engagerande att ha hittat ett nytt sätt undersöka supraledning på.

– Det är verkligen intressant. Det är som att öppna dörren till ett nytt rum eller få helt nya glasögon, säger Alex Aperis.

Materialet som forskarna designat heter hydrogenerad magnesium-diborid, MgB2H, och är framtaget tillsammans med kolleger på universitetet i Antwerpen. Än så länge finns det inte som fysisk materia, utan som en beskrivning gjord med den unika koden. En av de saker som överraskat forskarna mest är att materialet blir supraledande vid en relativt hög temperatur trots att är det bara är tre atomer tjockt. I det här fallet betyder det vid 67–100 Kelvin vilket är detsamma som en temperatur mellan minus 206 och minus 173 grader Celsius.

Det är kring högtemperatursupraledare som världens forskare på området just nu tävlar allra intensivast, berättar Peter Oppeneer. Den ultimata drömmen är ett material som blir supraledande i rumstemperatur, så att nedkylning blir överflödigt.

– Mycket av den forskning som finns är teoretiskt intressant men saknar möjliga tillämpningar. Vår tanke är att den kunskap vi tar fram genom grundforskning också ska kunna intressera dem som forskar kring tillämpningar, förklarar Peter Oppeneer.

Används i magnetkameror och vindkraft

Idag används supraledare främst för att skapa mycket starka elektromagneter som finns i magnetkameror och partikelacceleratorer, men också inom exempelvis vindkraft. Den springande punkten för storskalig och bred användning är fortfarande att hitta material som är supraledande i högre temperaturer under normalt tryck och som dessutom har rätt mekaniska egenskaper. Ännu väntar ett genombrott inom många möjliga användningsområden som skulle kunna innebära att det blir vanligt med väldigt effektiva elektriska motorer, supersnabba datorer inte större än mynt och kraftledningar utan elektriska förluster.

I det fortsätta arbetet ska Peter Oppeneer och Alex Aperis framförallt rikta in sig på att med hjälp av den kod de utvecklat försöka förstå mekanismerna bakom det som kallas okonventionella supraledare. Det är supraledande material som det idag saknas förklaringsmodeller till.

– Nu när vi kan undersöka material på ett helt nytt sätt ser vi också stora möjligheter till nya upptäckter, säger Peter Oppeneer.

Fakta

För att supraledning ska uppstå krävs vanligtvis en rejäl nedkylning. Högtemperatursupraledare är material som blir supraledande vid temperaturer över 77 kelvin eller -196 grader Celsius och därför kan kylas med flytande kväve. När supraledning först upptäcktes i början av 1900-talet var det i kvicksilver som kylts ner till 4,2 kelvin eller ‑273 grader Celsius. Så låga temperaturer kräver flytande helium. Eftersom det är både mycket enklare och billigare att kyla med kväve var upptäckten av högtemperatursupraledare något av en revolution inom fysiken. Den ledde till nobelpris i fysik 1987.

Publikation

Forskningen är publicerad i Physical Review Letters, https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.077001

Lisa Thorsén