Medische magnetische resonantie beeldvorming, krachtige microgolfgeneratoren, supergeleidende magnetische energieopslageenheden, en de solenoïden in kernfusiereactoren zijn zeer verschillende technologieën die allemaal kritisch afhankelijk zijn van het vermogen van supergeleidende materialen om grote elektrische stromen te transporteren en op te slaan in een compacte ruimte zonder oververhitting of grote hoeveelheden energie te dissiperen.

Ondanks hun buitengewone eigenschappen, de meeste supergeleidende materialen stellen hun eigen eisen, zoals de noodzaak om af te koelen tot de temperatuur van vloeibaar helium voor medische MRI's. Nog altijd, supergeleiders zijn zo efficiënt in vergelijking met alledaagse materialen zoals koper dat de kosten om ze af te koelen met speciale cryogene circuits te verwaarlozen zijn in vergelijking met de energie die wordt bespaard door te worden omgezet - en uiteindelijk verspild - in de vorm van warmte, zegt Riccardo Comin, een assistent-professor natuurkunde.

"Als je een grote stroom door een conventioneel circuit probeert te laten lopen, zoals een circuit van koper, er zal veel warmteverlies zijn vanwege de eindige elektrische weerstand van het materiaal, "zegt hij. "En dat is energie die gewoon verloren gaat. Omdat supergeleiders de stroom van elektronen kunnen ondersteunen zonder dissipatie, betekent dit dat je zeer grote stromen kunt laten lopen, bekend als superstromen, door een supergeleider, zonder dat de supergeleider opwarmt tot hoge temperaturen."

"Je kunt een stroom in een supergeleider injecteren en hem dan gewoon laten stromen, ' zegt Comin. 'Dan, een supergeleider kan in principe werken als een batterij, maar in plaats van energie op te slaan als een spanningsverschil, dat is wat je in een lithium-ionbatterij hebt, je slaat energie op in de vorm van een superstroom. Dan kun je die stroom extraheren en gebruiken, en het is hetzelfde als het opladen van een batterij."

Wat een supergeleider onderscheidt van een conventionele geleider is dat, in het laatstgenoemde, je moet een potentiaal aanbrengen tussen twee verschillende punten om een ​​stroom door te laten lopen, maar in de voormalige je kunt gewoon de stroom in gang zetten en dan de spanning weghalen, laat het systeem zoals het is, en er zal een aanhoudende stroom door het materiaal vloeien.

Comin legt verder uit:"U heeft een motie ingediend, of stroom, van elektronen, dat zal voor altijd blijven bestaan, beschermd tegen dissipatie door de wetten van de kwantummechanica. Het is supervloeibaar in die zin dat de stroom van elektronen geen weerstand ondervindt, of wrijving. Zelfs als u de oorspronkelijke bron verwijdert die die stroom heeft gecreëerd, het zal onverminderd doorgaan als in een wrijvingsloze elektronische vloeistof."

Deze elektronische supervloeibaarheid is een kwantumtoestand van materie, dus het gedraagt ​​zich op een zeer exotische manier die verschilt van de klassieke natuurkunde, zegt Comin. Het wordt al gebruikt in veel krachtige toepassingen die grote stromen of grote magnetische velden vereisen.

Omdat supergeleiders zeer grote stromen kunnen verdragen, ze kunnen veel energie opslaan in een relatief klein volume. Maar zelfs supergeleidende materialen kunnen geen onbeperkte elektrische stromen aan, en ze kunnen hun speciale eigenschappen verliezen boven een kritische stroomdichtheid, dat is meer dan 10 mega-ampère per vierkante centimeter voor ultramoderne supergeleidende kabels. Ter vergelijking, koper kan een maximale stroomdichtheid van 500 ampère per vierkante centimeter dragen, wat hetzelfde is als de stroomdichtheid die door een gloeilamp van 100 watt wolfraamdraad gaat.

Hoewel deze kritische stromen bekend zijn waarbij supergeleiding wordt uitgeschakeld, wat er op nanoschaal in het materiaal gebeurt als het die kritieke toestand nadert, is nog onbekend, toch zou het de sleutel kunnen zijn om betere supergeleidende kabels en apparaten te ontwerpen, met een nog grotere veerkracht.

Comin was een van de drie MIT-onderzoekers die dit najaar een US Air Force Young Investigator Research Program-beurs won. De driejarige $ 450, 000-prijs stelt Comin in staat om onderzoek te doen naar wat er gebeurt met een bepaald supergeleidend materiaal, yttrium barium koperoxide (YBCO) wanneer het met grote stromen wordt aangedreven.

"Het bestuderen van de elektrische respons van een supergeleider terwijl men er een grote stroom doorheen stuurt, is essentieel voor het karakteriseren van supergeleidende circuits, maar er is veel microscopische informatie over wat er in het materiaal gebeurt dat nog moet worden onthuld, "zegt hij. "De fysica op nanoschaal van supergeleiders onder operationele omstandigheden, namelijk wanneer er grote stromen doorheen gaan, is precies wat we willen ophelderen."

"Dit is in zekere zin een nieuwe richting waarin we het materiaal niet alleen in zijn ongestoorde staat bestuderen, laten we zeggen, net als een functie van de temperatuur, maar zonder enige vorm van verstoring zoals een stroom of een veld toe te passen. Nu gaan we een richting in waarin we bestuderen wat er gebeurt in materialen als ze worden aangedreven onder omstandigheden van grote stromingen, die heel dicht in de buurt komen van degene die je zou vinden in een apparaat of machine op basis van deze supergeleidende circuits, ' legt Comin uit.

In tegenstelling tot niobium-tinlegeringen die vloeibare heliumkoeling (ongeveer 4 kelvin) in MRI-machines vereisen, YBCO supergeleidt bij de iets hogere temperatuur van vloeibare stikstof. Dit is belangrijk omdat vloeibare stikstof (ongeveer 77 kelvin, of -320,4 graden Fahrenheit) is zowel overvloediger als aanzienlijk goedkoper in gebruik dan helium, zegt Comin.

Maar er is een andere prijs te betalen. Vergeleken met een conventioneel metaal of geleider zoals koper, die taai en gemakkelijk te vormen is, YBCO is een bros keramiek dat in tweedimensionale lagen gegoten moet worden op een ondergrond vergelijkbaar met ouderwetse cassette-opnamebanden.

"Het heeft een gelaagde structuur, dus het vormt tweedimensionale atoomplaten die er zwak tussen zijn gekoppeld, en het is heel anders dan hoe een conventioneel metaal eruit zou zien, " Zegt Comin. Comin zal het materiaal bestuderen in zijn laboratorium aan het MIT en aan National Laboratories, terwijl er hoge stroom op wordt toegepast rond of zelfs onder de temperatuur van vloeibare stikstof.

Hoewel supergeleiding het overneemt bij de temperatuur van vloeibare stikstof, omdat het materiaal wordt blootgesteld aan steeds grotere elektrische velden, andere elektronische toestanden, of fasen, zoals een ladingsdichtheidsgolf, beginnen te concurreren met supergeleiding voordat het ophoudt.

"Als je supergeleiding begint te verzwakken, andere elektronische fasen beginnen te ontwaken en ze strijden om de controle over het materiaal, " zegt hij. Hij is van plan te onderzoeken hoe de balans verschuift tussen de supergeleidende fase en deze andere parasitaire fasen, als supergeleiding verzwakt bij hoge stromen.

"Beginnen deze (andere fasen) het over te nemen of blijven ze inactief?" vraagt ​​Comin. "In een geval, elektronen willen stromen zonder dissipatie, en in het andere geval ze zitten vast op hun plaats en kunnen niet bewegen, als een auto in een file."

In plaats van vrij te kunnen bewegen zoals in een supergeleider, zonder enige dissipatie, elektronen in een ladingsdichtheidsgolf hebben de neiging om in sommige regio's te zitten en daar te blijven.

"Er zijn gebieden met meer elektronen, sommige andere regio's die minder elektronen hebben, dus als je de ruimtelijke organisatie van deze elektronen probeert te visualiseren, je ziet dat het wiebelt als een golf, Comin legt uit. "Je kunt je een landschap van zandrimpelingen op een duin voorstellen. Wat drijft de elektronen om zich te organiseren in een supervloeibare toestand in plaats van deze statische, golfachtige patronen zijn niet echt bekend en het is wat we hopen te ontdekken onder die kritieke omstandigheden waarin de supergeleider begint toe te geven aan deze andere concurrerende tendensen."

Het uiteindelijke doel van dit onderzoek is om op te helderen hoe een aanhoudende stroom, of superstroom, stromen rond niet-supergeleidende regio's met concurrerende fasen, wanneer deze zich beginnen te vermenigvuldigen in de buurt van kritieke omstandigheden.

"In dit project, ondersteund door het Air Force Office for Scientific Research, we hopen nieuwe inzichten te verwerven over de fysica op nanoschaal van deze supergeleidende apparaten, inzichten die kunnen worden overgedragen op toekomstige supergeleidertechnologieën, ' zegt Komijn.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.