1911, natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes wilde de temperatuur van kwik zo dicht mogelijk bij het absolute nulpunt brengen. Hij hoopte een meningsverschil met Lord Kelvin te winnen, die dachten dat metalen bij extreem lage temperaturen helemaal geen elektriciteit meer zouden geleiden. Zorgvuldig manipuleren van een set glazen buizen, Kamerlingh Onnes en zijn team verlaagden de temperatuur van het kwik tot 3 K (-454 F). Plotseling, het kwik geleidt elektriciteit zonder weerstand. Kamerlingh Onnes had net supergeleiding ontdekt.

Deze enkele bevinding leidde tot een wereldwijd onderzoek dat een eeuw heeft geduurd. Hoewel het een wetenschappelijk debat oploste, het creëerde veel meer. Het Office of Science van het Department of Energy en zijn voorgangers hebben tientallen jaren besteed aan het ondersteunen van wetenschappers bij het onderzoeken van het mysterie waarom supergeleiding optreedt onder verschillende omstandigheden.

Het antwoord op deze vraag biedt grote kansen voor wetenschappelijke en technologische ontwikkeling. Ongeveer zes procent van alle elektriciteit die in de VS wordt gedistribueerd, gaat verloren bij transmissie en distributie. Omdat supergeleiders geen stroom verliezen omdat ze elektriciteit geleiden, ze kunnen ultra-efficiënte elektriciteitsnetten en ongelooflijk snelle computerchips mogelijk maken. Door ze in spoelen te wikkelen, ontstaan ​​magnetische velden die kunnen worden gebruikt voor zeer efficiënte generatoren en snelle magnetische levitatietreinen. Helaas, technische uitdagingen met zowel traditionele als "hoge temperatuur" supergeleiders beperken het gebruik ervan.

"In de mate dat Tesla en Edison de introductie van het gebruik van elektriciteit een revolutie teweegbrachten in onze samenleving, omgevingssupergeleiding zou het opnieuw revolutioneren, " zei J.C. Séamus Davis, een natuurkundige die samenwerkt met het Center for Emergent Superconductivity, een DOE Energy Frontier Research Center.

Het hoe en waarom van supergeleiding

De ontdekking van Kamerlingh Onnes zorgde voor een golf van bedrijvigheid. Ondanks zijn grootse visioenen, de meeste van wat wetenschappers vonden, versterkten alleen de beperkingen van supergeleiders.

Een van de eerste grote doorbraken kwam bijna een halve eeuw na de eerste vondst van Kamerlingh Onnes. Terwijl de meeste onderzoekers dachten dat supergeleiding en magnetisme niet naast elkaar konden bestaan, Alexei A. Abrikosov stelde in 1952 'Type II'-supergeleiders voor die magnetische velden kunnen verdragen. Abrikosov zette zijn onderzoek voort in het Argonne National Laboratory (ANL) van DOE en won later de Nobelprijs voor de natuurkunde voor zijn bijdragen.

De volgende grote sprong kwam in 1957, toen John Bardeen, Leon Kuiper, en John Robert Schrieffer stelde de eerste theorie voor waarom supergeleiding optreedt. hun theorie, mogelijk gemaakt door de steun van DOE's voorganger, de Commissie voor Atoomenergie, wonnen hen ook de Nobelprijs voor de natuurkunde.

Hun theorie contrasteert hoe sommige metalen onder normale omstandigheden werken met hoe ze werken bij extreem lage temperaturen. Normaal gesproken, atomen zijn samengepakt in metalen, regelmatige roosters vormen. Net als de spaken en stangen van Tinkertoys, de positief geladen ionen van de metalen zijn aan elkaar gebonden. In tegenstelling tot, negatief geladen vrije elektronen (elektronen die niet aan een ion zijn gebonden) bewegen onafhankelijk door het rooster.

Maar bij extreem lage temperaturen, de relatie tussen de elektronen en het omringende rooster verandert. Een algemene opvatting is dat de negatieve ladingen van de elektronen zwak positieve ionen aantrekken. Als iemand die aan het midden van een elastiekje trekt, deze zwakke aantrekkingskracht trekt positieve ionen enigszins uit hun plaats in het rooster. Ook al is het oorspronkelijke elektron al gepasseerd, de nu verplaatste positieve ionen trekken vervolgens lichtjes andere elektronen aan. Bij bijna het absolute nulpunt, aantrekking van de positieve ionen zorgt ervoor dat elektronen het pad volgen van degenen voor hen. In plaats van zelfstandig te reizen, ze paren in paren. Deze paren vloeien gemakkelijk door metaal zonder weerstand, supergeleiding veroorzaken.

Gloednieuwe supergeleiders ontdekken

Helaas, alle supergeleiders die wetenschappers hadden gevonden, functioneerden alleen in de buurt van het absolute nulpunt, de koudst theoretisch mogelijke temperatuur.

Maar in 1986 Georg Bednorz en K. Alex Müller van IBM ontdekten op koper gebaseerde materialen die supergeleidend worden bij 35 K (-396 F). Andere wetenschappers verhoogden de supergeleidende temperatuur van deze materialen tot bijna 150 K (-190 F), waardoor onderzoekers vrij gewone vloeibare stikstof kunnen gebruiken om ze te koelen.

In het laatste decennium, onderzoekers in Japan en Duitsland ontdekten nog twee categorieën hoge-temperatuur-supergeleiders. Op ijzer gebaseerde supergeleiders bestaan ​​in vergelijkbare omstandigheden als op koper gebaseerde supergeleiders, terwijl op waterstof gebaseerde die alleen bestaan ​​bij een druk die meer dan een miljoen keer die van de atmosfeer van de aarde is.

Maar interacties tussen de elektronenparen en ionen in het metaalrooster dat Bardeen, Kuiper, en Schrieffer beschreef, kon niet verklaren wat er gebeurde in op koper en ijzer gebaseerde supergeleiders op hoge temperatuur.

"We werden in een dilemma gegooid, " zei Peter Johnson, een natuurkundige bij Brookhaven National Laboratory (BNL) en directeur van het Center for Emergent Superconductivity. "Deze nieuwe materialen daagden al onze bestaande ideeën uit over waar we naar nieuwe supergeleiders moesten zoeken."

Behalve wetenschappelijk intrigerend, dit raadsel opende een nieuw gebied van potentiële toepassingen. Helaas, de industrie kan supergeleiders met een "hoge temperatuur" alleen gebruiken voor zeer gespecialiseerde toepassingen. Ze zijn nog te complex en te duur om in alledaagse situaties te gebruiken. Echter, uitzoeken wat ze anders maakt dan traditionele, kan essentieel zijn voor het ontwikkelen van supergeleiders die bij kamertemperatuur werken. Omdat ze geen koelapparatuur nodig zouden hebben en gemakkelijker om mee te werken, Supergeleiders bij kamertemperatuur zouden goedkoper en praktischer kunnen zijn dan de huidige.

Een gedeeld kenmerk

Verschillende reeksen experimenten ondersteund door het Office of Science brengen ons dichter bij het vinden van wat, als iets, hoge temperatuur supergeleiders gemeen hebben. Er zijn aanwijzingen dat magnetische interacties tussen elektronen essentieel kunnen zijn voor de reden waarom supergeleiding bij hoge temperaturen optreedt.

Alle elektronen hebben een spin, het creëren van twee magnetische polen. Als resultaat, elektronen kunnen werken als kleine koelkastmagneten. Onder normale omstandigheden, deze polen zijn niet op een bepaalde manier georiënteerd en werken niet op elkaar in. Echter, koper en op ijzer gebaseerde supergeleiders zijn verschillend. Bij deze materialen de spins op aangrenzende ijzerlocaties hebben noord- en zuidpolen die van richting wisselen - noordelijk georiënteerd, zuiden, noorden, zuiden enzovoort.

Een project ondersteund door het Center for Emergent Superconductivity onderzocht hoe de volgorde van deze magnetische polen hun interacties beïnvloedde. Wetenschappers theoretiseerden dat omdat magnetische polen al in tegengestelde richtingen wezen, het zou gemakkelijker zijn dan normaal voor elektronen om te paren. Om deze theorie te testen, ze correleerden zowel de sterkte van bindingen tussen elektronen (de sterkte van de elektronenparen) als de richting van hun magnetisme. Met deze techniek, ze leverden significant experimenteel bewijs van de relatie tussen supergeleiding en magnetische interacties.

Andere experimenten in een aantal nationale laboratoria van DOE hebben deze theorie verder versterkt. Deze waarnemingen voldeden aan de verwachtingen van wetenschappers over wat er zou moeten gebeuren als supergeleiding en magnetisme met elkaar verbonden zijn.

Onderzoekers van ANL zagen een op ijzer gebaseerde supergeleider door meerdere fasen gaan voordat hij een supergeleidende toestand bereikte. Terwijl wetenschappers het materiaal afkoelden, ijzeratomen gingen van een vierkante structuur naar een rechthoekige en dan weer terug naar een vierkante. Onderweg, er was een grote verandering in de magnetische polen van de elektronen. Hoewel ze oorspronkelijk willekeurig waren, ze namen een specifieke volgorde aan vlak voordat ze supergeleiding bereikten.

In het Ames-laboratorium van DOE, onderzoekers ontdekten dat het toevoegen of verwijderen van elektronen uit een op ijzer gebaseerd supergeleidend materiaal de richting veranderde waarin elektriciteit gemakkelijker stroomde. Onderzoekers van BNL merkten op dat supergeleiding en magnetisme niet alleen naast elkaar bestaan, maar fluctueren eigenlijk in een regelmatig patroon.

Helaas, De complexe aard van elektroneninteracties maakt het moeilijk om precies vast te stellen welke rol ze spelen in supergeleiding.

Uit onderzoek van BNL bleek dat naarmate wetenschappers een op ijzer gebaseerd materiaal afkoelden, de richtingen van de elektronenspins en hun relatie met elkaar veranderden snel. De elektronen wisselden van partner net voordat het materiaal supergeleidend werd. evenzo, onderzoek bij ANL heeft aangetoond dat elektronen in op ijzer gebaseerde supergeleiders "golven" van magnetisme produceren. Omdat sommige magnetische golven elkaar opheffen, slechts de helft van de atomen vertoont ooit magnetisme.

Deze bevindingen geven nieuw inzicht in waarom supergeleiders zich gedragen zoals ze doen. Onderzoek heeft veel vragen over hen beantwoord, alleen om nieuwe te brengen. Hoewel laboratoria ver verwijderd zijn van de handgeblazen apparatuur van Kamerlingh Onnes, wetenschappers blijven discussiëren over vele aspecten van deze unieke materialen.