Onderzoekers van de North Carolina State University hebben de temperatuur waarbij op koolstof gebaseerde materialen als supergeleiders fungeren, aanzienlijk verhoogd. een roman gebruiken, met borium gedoteerd Q-koolstofmateriaal.

Het vorige record voor supergeleiding in met boor gedoteerde diamant was 11 Kelvin, of min 439,60 graden Fahrenheit. De met borium gedoteerde Q-koolstof is supergeleidend gebleken van 37K tot 57K, dat is min 356,80 graden F.

"Van 11K naar 57K gaan is een grote sprong voor conventionele BCS-supergeleiding, " zegt Jay Narayan, de John C. Fan Distinguished Chair Professor of Materials Science and Engineering bij NC State en senior auteur van twee artikelen die het werk beschrijven. BCS verwijst naar de Bardeen-Cooper-Schrieffer-theorie van supergeleiding.

Gewone geleidende materialen geleiden elektriciteit, maar veel van die energie gaat verloren tijdens de transmissie. Supergeleiders kunnen veel hogere stromen per vierkante centimeter aan en verliezen vrijwel geen energie door transmissie. Echter, supergeleiders hebben deze gewenste eigenschappen alleen bij lage temperaturen. Het identificeren van manieren om supergeleiding te bereiken bij hogere temperaturen - zonder hoge druk uit te oefenen - is een actief gebied van materiaalonderzoek.

Om de met boor gedoteerde Q-koolstof te maken, de onderzoekers bekleden een substraat met een mengsel van amorfe koolstof en boor. Het mengsel wordt vervolgens geraakt met een enkele laserpuls van slechts enkele nanoseconden. Tijdens deze puls de temperatuur van de koolstof wordt verhoogd tot 4, 000 Kelvin en vervolgens snel uitgeblust.

"Door boor in de Q-koolstof op te nemen, elimineren we de ferromagnetische eigenschappen van het materiaal en geven we het supergeleidende eigenschappen, " zegt Narayan. "Tot nu toe, elke keer dat we de hoeveelheid boor hebben verhoogd, de temperatuur waarbij het materiaal zijn supergeleidende eigenschappen behoudt, is gestegen.

"Dit proces verhoogt de dichtheid van dragerstaten nabij het Fermi-niveau, "ten opzichte van met boor gedoteerde diamant, zegt Narayan.

"De vooruitgang van de materialen hier is dat dit proces een boorconcentratie in een koolstofmateriaal mogelijk maakt die veel hoger is dan mogelijk zou zijn met bestaande evenwichtsmethoden, zoals chemische dampafzetting, " zegt Narayan. "Met behulp van evenwichtsmethoden, je kunt boor in Q-koolstof alleen opnemen tot 2 atoomprocent - twee van elke 100 atomen. Met behulp van onze op laser gebaseerde, niet-evenwichtsproces, we hebben niveaus bereikt van wel 27 atoomprocent."

Die hogere concentratie boor geeft het materiaal zijn supergeleidingseigenschappen bij een hogere temperatuur.

"Oak Ridge National Laboratory heeft onze bevindingen over een hogere dichtheid van toestanden bevestigd met behulp van elektronenenergieverliesspectroscopie, ' zegt Narayan.

"We zijn van plan het materiaal te optimaliseren om de temperatuur te verhogen waarbij het supergeleidend is, " zegt Narayan. "Deze doorbraak in supergeleiding bij hoge temperatuur van Q-koolstof is wetenschappelijk opwindend met een pad naar supergeleiding bij kamertemperatuur in nieuwe sterk gebonden, lichte materialen. De supergeleiding in Q-koolstof heeft een speciale betekenis voor praktische toepassingen, omdat het transparant is, superhard en taai, biocompatibel, erosie en corrosiebestendig. Zoiets bestaat tegenwoordig niet meer.

"Er zijn al heliumkoelsystemen met gesloten cyclus die zijn ontworpen voor gebruik met supergeleiders die gemakkelijk temperaturen tot 10K kunnen bereiken, " zegt Narayan. "B-gedoteerde Q-koolstof kan maar liefst 43 miljoen ampère per vierkante centimeter aan bij 21K in de aanwezigheid van een magnetisch veld van twee Tesla. Omdat we supergeleiding hebben aangetoond bij 57K, dit betekent dat de gedoteerde Q-koolstof al levensvatbaar is voor toepassingen."

Het meest recente blad, "Een nieuwe op koolstof gebaseerde supergeleider op hoge temperatuur:B-gedoteerde Q-koolstof, " is gepubliceerd in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde . Een eerdere krant, "Supergeleiding bij hoge temperatuur in met borium gedoteerde Q-koolstof, " is gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .