De zoektocht naar een supergeleider die kan werken onder minder extreme omstandigheden dan honderden graden onder nul of bij drukken zoals die in de buurt van het centrum van de aarde is een zoektocht naar een revolutionaire nieuwe kracht - een die nodig is voor magnetisch zwevende auto's en ultra-efficiënte stroomvoorziening roosters van de toekomst.

Maar het ontwikkelen van dit soort "kamertemperatuur" supergeleider is een prestatie die de wetenschap nog moet bereiken.

Een onderzoeker van de University of Central Florida, echter, werkt eraan om dit doel dichter bij realisatie te brengen, met enkele van zijn laatste onderzoeken die onlangs in het tijdschrift zijn gepubliceerd Communicatie Fysica .

In de studie, Yasuyuki Nakajima, een assistent-professor in UCF's Department of Physics, en co-auteurs lieten zien dat ze een beter zicht konden krijgen op wat er gebeurt in "vreemde" metalen.

Deze "vreemde" metalen zijn speciale materialen die een ongewoon temperatuurgedrag vertonen in elektrische weerstand. Het "vreemde" metallische gedrag wordt gevonden in veel supergeleiders bij hoge temperaturen wanneer ze zich niet in een supergeleidende toestand bevinden, waardoor ze nuttig zijn voor wetenschappers die bestuderen hoe bepaalde metalen supergeleiders bij hoge temperaturen worden.

Dit werk is belangrijk omdat inzicht in het kwantumgedrag van elektronen in de "vreemde" metaalfase onderzoekers in staat zou kunnen stellen een mechanisme voor supergeleiding bij hogere temperaturen te begrijpen.

"Als we de theorie kennen om dit gedrag te beschrijven, kunnen we misschien supergeleiders voor hoge temperaturen ontwerpen, ' zegt Nakajima.

Supergeleiders krijgen hun naam omdat ze de ultieme geleiders van elektriciteit zijn. In tegenstelling tot een dirigent, ze hebben nul weerstand, die, als een elektronische "wrijving, " zorgt ervoor dat elektriciteit stroom verliest als het door een geleider zoals koper- of gouddraad stroomt.

Dit maakt supergeleiders een droommateriaal voor het leveren van stroom aan steden, aangezien de energie die bespaard wordt door het gebruik van weerstandsvrije draad enorm zou zijn.

Krachtige supergeleiders kunnen ook zware magneten laten zweven, de weg vrijmaken voor praktische en betaalbare magnetisch zwevende auto's, treinen en meer.

Om van een geleider een supergeleider te maken, het metalen materiaal moet worden afgekoeld tot een extreem lage temperatuur om alle elektrische weerstand te verliezen, een abrupt proces dat de natuurkunde nog moet ontwikkelen om een ​​volledig omvattende theorie te verklaren.

Deze kritische temperaturen waarbij de omschakeling wordt gemaakt, liggen vaak in het bereik van -220 tot -480 graden Fahrenheit en omvatten typisch een duur en omslachtig koelsysteem dat vloeibare stikstof of helium gebruikt.

Sommige onderzoekers hebben supergeleiders bereikt die werken op ongeveer 59 graden Fahrenheit, maar het was ook onder een druk van meer dan 2 miljoen keer die aan het aardoppervlak.

In de studie, Nakajima en de onderzoekers waren in staat om elektronengedrag te meten en te karakteriseren in een "vreemde" metalen toestand van niet-supergeleidend materiaal, een ijzeren pnictide-legering, nabij een kwantumkritisch punt waarop elektronen overschakelen van voorspelbare, individueel gedrag tot collectief bewegen in kwantummechanische fluctuaties die voor wetenschappers een uitdaging zijn om theoretisch te beschrijven.

De onderzoekers konden het elektronengedrag meten en beschrijven door gebruik te maken van een unieke metaalmix waarin nikkel en kobalt ijzer werden vervangen in een proces dat doping wordt genoemd. waardoor een ijzer-pnictide-legering ontstond die niet supergeleidend was tot -459,63 graden Fahrenheit, ver onder het punt waarop een geleider typisch een supergeleider zou worden.

"We gebruikten een legering, een relatieve verbinding van op ijzer gebaseerde supergeleider op hoge temperatuur, waarbij de verhouding van de bestanddelen, ijzer, kobalt en nikkel in dit geval, is zo afgesteld dat er geen supergeleiding is, zelfs niet in de buurt van het absolute nulpunt, " zegt Nakajima. "Dit stelt ons in staat om toegang te krijgen tot het kritieke punt waarop kwantumfluctuaties het gedrag van de elektronen bepalen en te bestuderen hoe ze zich in de verbinding gedragen."

Ze ontdekten dat het gedrag van de elektronen niet werd beschreven door enige bekende theoretische voorspellingen, maar dat de verstrooiingssnelheid waarmee de elektronen over het materiaal werden getransporteerd, kan worden geassocieerd met wat bekend staat als de Planckiaanse dissipatie, de kwantumsnelheidslimiet voor hoe snel materie energie kan transporteren.

"Het kwantumkritische gedrag dat we hebben waargenomen is vrij ongebruikelijk en verschilt volledig van de theorieën en experimenten voor bekende kwantumkritische materialen, "zegt Nakajima. "De volgende stap is het in kaart brengen van het dopingfasediagram in dit systeem van ijzerpnictidelegering."

"Het uiteindelijke doel is om supergeleiders voor hogere temperaturen te ontwerpen, "zegt hij. "Als we dat kunnen doen, we kunnen ze gebruiken voor scans met magnetische resonantiebeeldvorming, magnetische levitatie, elektriciteitsnetten, en meer, met lage kosten."

Het ontsluiten van manieren om het weerstandsgedrag van "vreemde" metalen te voorspellen, zou niet alleen de ontwikkeling van supergeleiders verbeteren, maar ook theorieën achter andere fenomenen op kwantumniveau informeren, zegt Nakajima.

"Recente theoretische ontwikkelingen laten verrassende verbanden zien tussen zwarte gaten, zwaartekracht en kwantuminformatietheorie door de Planckiaanse dissipatie, "zegt hij. "Daarom, het onderzoek naar 'vreemd' metaalgedrag is in deze context ook een hot topic geworden."