Al meer dan 65 jaar, niobiumboride (NbB) wordt beschouwd als een klassiek voorbeeld van een supergeleidend materiaal. deze veronderstelling, vastgelegd in handboeken over de fysica van gecondenseerde materie en artikelen in wetenschappelijke tijdschriften, is nu betwist in een onderzoek uitgevoerd door onderzoekers van de Universiteit van São Paulo (USP) in Brazilië en aan de San Diego State University in de Verenigde Staten.

In een artikel gepubliceerd in Fysiek beoordelingsmateriaal , de onderzoekers laten zien dat de tot nu toe gedetecteerde supergeleiding niet te wijten was aan NbB. De supergeleidende eigenschappen werden geassocieerd met filamenten van bijna puur niobium die rond de korrels van NbB in de bestudeerde monsters slingerden.

De hoofdonderzoeker van het onderzoek was Renato de Figueiredo Jardim van de Universiteit van São Paulo. "We weten dat het element niobium (Nb) op zichzelf supergeleidend is wanneer het wordt gekoeld tot zeer lage temperaturen in het bereik van 9,2 kelvin, "Zei Jardim. "Nu, we hebben ontdekt dat dit niet het geval is voor NbB. Monsters van NbB bevatten een grote volumetrische fractie van NbB maar ook een kleine hoeveelheid bijna zuiver Nb. Twee verschillende kristallijne fasen bestaan ​​naast elkaar in de bestudeerde materialen. Deze minderheidsfase, bestaande uit ongeveer 98 procent niobium en 2 procent boor, is wat zich gedraagt ​​als een supergeleider."

In de elektronenmicroscoopbeelden die in het artikel worden gereproduceerd, de witte filamenten komen overeen met de minderheidsfase bestaande uit ongeveer 98 procent niobium en 2 procent boor. De notatie die wordt gebruikt om deze compositie te karakteriseren is Nb _0,98 B _0,02 . De grijze gebieden, overeenkomend met de grotere volumetrische fractie, zijn NbB.

De auteurs merken op dat zelfs als het voorkomt in een kleine volumetrische fractie, de minderheidsfase (Nb _0,98 B _0,02 ) is supergeleidend en vormt een driedimensionaal netwerk waardoor de elektrische stroom van het ene uiteinde van het materiaal naar het andere kan gaan. Het is zeer waarschijnlijk dat deze functie onderzoekers heeft misleid die eerder NbB hebben onderzocht, die het materiaal dus supergeleidend vonden bij temperaturen onder ongeveer 9 kelvin.

Zoals Jardim uitlegt, de identificatie van de NbB-roosterstructuur door middel van scanning-elektronenmicroscopie leverde een kwalitatief bewijs van de eigenschap op basis van visueel bewijs. "Maar dit punt alleen was onvoldoende om onze hypothese te bevestigen, " merkte hij op. "We moesten verder gaan op zoek naar kwantitatief bewijs. We hebben dit gedaan door een thermodynamisch model toe te passen op de gegevens uit de bestudeerde materialen, en op deze manier, we verkregen het bewijs dat we zochten."

Vanuit macroscopisch oogpunt, supergeleiding is een eigenschap van bepaalde materialen die, wanneer afgekoeld tot onder een bepaalde temperatuur, elektriciteit geleiden zonder enig energieverlies, d.w.z. met nul elektrische weerstand.

De technologische toepassingen van supergeleiding zijn tegenwoordig redelijk bekend. De belangrijkste toepassing is in spoelen gemaakt met supergeleidende draad. Wanneer een dergelijke spoel wordt gekoeld en thermisch geïsoleerd, een aangelegde elektrische stroom stroomt er oneindig doorheen, het opwekken van magnetische velden zonder energiedissipatie. Dit soort apparaat wordt gebruikt in apparatuur voor magnetische resonantiebeeldvorming (MRI), die gemeengoed is geworden.

"De technologie is de afgelopen jaren enorm vooruitgegaan, Jardim zei. "Een speciaal type vacuümfles genaamd een dewar wordt gebruikt voor cryogene opslag met een binnentemperatuur op het niveau van vloeibaar helium, dat is 4,2 kelvin (ongeveer min 270 °C). Deze dewars zijn in de handel verkrijgbaar en kunnen worden gebruikt om supergeleidende spoelen te koelen."

Volgens Jardim, er zijn momenteel geen technologische toepassingen voorzien voor NbB. Echter, hij zegt, "Een 'neef' van NbB, magnesiumdiboride (MgB ₂ ), heeft het afgelopen decennium veel belangstelling gewekt. Ons onderzoek kan bijdragen aan de technologische toepassing ervan."

Supergeleiders en diamagnetisme

Naast deze macroscopische eigenschap, Jardim zegt, er is nog een macroscopische eigenschap genaamd "perfect, " waardoor het interne magnetische veld van de supergeleider volledig wordt uitgesloten wanneer het materiaal in een extern magnetisch veld wordt geplaatst.

Diamagnetisme is aanwezig in alle materialen. Echter, het is vaak zo zwak dat de manifestatie ervan wordt gemaskeerd door andere, robuustere magnetische reacties, zoals ferromagnetisme, waarin het materiaal wordt aangetrokken door een extern magnetisch veld, en paramagnetisme, waarin de atomaire magnetische dipolen van het materiaal evenwijdig aan het externe magnetische veld zijn uitgelijnd.

Wanneer de diamagnetische respons voldoende sterk is, zoals in een supergeleider, de afstoting als gevolg van het magnetische veld kan ervoor zorgen dat het materiaal zweeft. Dit fenomeen is recentelijk beroemd geworden. "Diamagnetisme kan worden gezien als het genereren van een stroom op het oppervlak van het materiaal die resulteert in een magnetisch veld van dezelfde grootte als het externe magnetische veld dat wordt aangelegd, maar in de tegenovergestelde richting werkt. Het is alsof het materiaal uit zijn binnen het magnetische veld waarin het is ondergedompeld, ' legde Jardim uit.