Als het gaat om supergeleiders bij hoge temperaturen, "hoog" is een relatief begrip. Op het gebied van supergeleiding, "hoge temperatuur" betekent alles dat nog steeds supergeleidend kan zijn boven 30 graden Kelvin (K), of een zwoele -405 graden Fahrenheit (F).

De eerste hogetemperatuur-supergeleider werd in 1986 ontdekt, in keramische verbindingen van koper en zuurstof, bekend als cupraten. Deze materialen kunnen supergeleiding bereiken rond 35 graden Kelvin of -396,67 graden Fahrenheit. In de volgende decennia, die temperatuurlimiet verhoogd en, daten, onderzoekers hebben supergeleiding bereikt in cuprates bij temperaturen tot 135 graden Kelvin.

Het is een belangrijke vooruitgang, om zeker te zijn, maar bij kamertemperatuur supergeleiding, waarvoor werking bij 300 graden Kelvin vereist is, is nog ver weg, zo niet onmogelijk.

Een van de grootste obstakels is dat onderzoekers de volledige onderliggende mechanismen van cupraat-supergeleiding nog steeds niet begrijpen en waarom er zo'n variabiliteit is in de supergeleidende overgangstemperatuur tussen cupraatverbindingen.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hebben misschien het antwoord. De onderzoekers, geleid door Xin Li, Universitair docent materiaalkunde bij SEAS, ontdekte dat de sterkte van een bepaalde chemische binding in cupraatverbindingen de temperatuur beïnvloedt waarbij het materiaal supergeleiding bereikt.

Het onderzoek is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

"Dit zou een nieuwe start kunnen zijn voor het ontwerpen van materialen met supergeleiding bij hoge temperaturen, " zei Li. "Ons onderzoek werpt licht op een belangrijk onderdeel van de gecompliceerde verschijnselen in cuprates en wijst ons in een nieuwe en opwindende richting voor materiaalontwerp."

Alle cupraten hebben dezelfde structurele bouwstenen – gelaagde vlakken van koperperoxide (CuO ₂ ) met een out-of-plane zuurstofion, bekend als de apicale zuurstof. Dit zuurstofion zit boven elk koperatoom in het CuO ₂ vlak, als een boei op het wateroppervlak. Het belangrijkste verschil tussen cupraatverbindingen komt van welk ander element aan de zuurstofboei is bevestigd. Dit element staat bekend als het apicale kation en kan een verscheidenheid aan elementen zijn, waaronder lanthaan, bismut, koper, of kwik.

De temperatuur waarbij het materiaal supergeleidend wordt, verandert afhankelijk van welk element wordt gebruikt, maar niemand weet precies waarom.

Door simulatie en experimenten te vergelijken, Li en zijn team hebben aangetoond dat de sleutel de binding is tussen het apicale kation en de apicale zuurstof - hoe sterker de chemische binding, hoe hoger de temperatuur waarbij het materiaal supergeleidend wordt.

Maar waarom verhoogt deze binding de supergeleidende temperaturen?

Supergeleiders worden vaak beschreven als elektronensnelwegen, of supercarpoolstroken, waarin gepaarde elektronen auto's zijn en het supergeleidende materiaal de speciale, wrijvingsloze weg voor de auto's om te bewegen.

Echter, elektronen bewegen niet echt over een supergeleider met hoge temperatuur zoals een auto op een weg. In plaats daarvan, ze hoppen. Dit huppelproces wordt een stuk gemakkelijker gemaakt wanneer het kristalrooster waarop de elektronen bewegen op een bepaalde manier oscilleert.

Een sterke chemische binding tussen het apicale anion en het apicale kation verhoogt de oscillatie van zowel het rooster als de geïnduceerde elektrische stroom.

Stel je een vlieger voor die aan een boei is vastgemaakt en veel van dergelijke vliegerboei-eenheden staan ​​​​op een rij. Als de verbinding tussen de vlieger en de boei sterk is, de vlieger kan de boei op en neer trekken, waardoor rimpelingen en spatten in het water ontstaan. De rimpelingen zijn verwant aan de roosteroscillatie en de spatten vertegenwoordigen de elektronen die uit de CuO worden geduwd ₂ vlak. De rimpelingen en spatten zijn niet chaotisch, liever, ze volgen samen bepaalde regels die de boeien vertellen hoe ze op de beste manier kunnen oscilleren om het elektron te helpen gemakkelijk langs het materiaal te springen.

"We hebben aangetoond dat deze structurele eenheid - de koperen zuurstoflaag, het apicale anion, en het apicale kation - is een fundamentele bouwsteen die dynamisch kan koppelen om de supergeleidende eigenschappen van het materiaal te regelen, "zei Li. "Dit opent een geheel nieuwe weg om de supergeleidende eigenschappen van materialen te onderzoeken."

Volgende, de onderzoekers willen onderzoeken hoe dit nieuwe effect ons begrip van het mysterieuze fasediagram in supergeleiders bij hoge temperaturen beïnvloedt, inclusief het koppelingsmechanisme in deze supergeleiders.