Onderzoekers van de Florida State University hebben een nieuwe manier ontdekt om de prestaties te verbeteren van elektrische draden die worden gebruikt als supergeleiders voor hoge temperaturen (HTS), bevindingen die het potentieel hebben om een ​​nieuwe generatie deeltjesversnellers aan te drijven.

Een afbeelding van Bi-2212, op bismut gebaseerde supergeleidende draden. (Mark Wallheiser/FAMU-FSU College of Engineering) Onderzoekers gebruikten scanning-elektronenmicroscopie met hoge resolutie om te begrijpen hoe verwerkingsmethoden korrels beïnvloeden in op bismut gebaseerde supergeleidende draden (bekend als Bi-2212). Die korrels vormen de onderliggende structuren van supergeleiders bij hoge temperaturen, en wetenschappers die de Bi-2212-korrels op atomaire schaal bekijken, hebben hun uitlijning met succes geoptimaliseerd in een proces dat het materiaal efficiënter maakt in het dragen van een supergeleidende stroom, of superstroom. Hun werk werd gepubliceerd in het tijdschrift Supergeleider Wetenschap en Technologie.

De onderzoekers ontdekten dat de afzonderlijke korrels een lange rechthoekige vorm hebben, met hun langere zijde langs dezelfde as als de draad wijzend - een zogenaamde biaxiale textuur. Ze zijn gerangschikt in een cirkelvormig patroon volgens het pad van de draad, zodat oriëntatie slechts op zeer kleine schaal zichtbaar is. Die twee eigenschappen samen geven de Bi-2212-korrels een quasi-biaxiale textuur, wat een ideale configuratie bleek te zijn voor superstroom.

"Door te begrijpen hoe de structuur van deze granen kan worden geoptimaliseerd, we kunnen de HTS-ronde draden fabriceren die hogere stromen op de meest efficiënte manier dragen, " zei Abiola Temidayo Oloye, een promovendus aan het FAMU-FSU College of Engineering, onderzoeker bij het National High Magnetic Field Laboratory (MagLab) en de hoofdauteur van het artikel.

supergeleiders, in tegenstelling tot conventionele geleiders zoals koper, kan elektriciteit met perfecte efficiëntie transporteren omdat elektronen geen wrijving ondervinden tijdens het reizen in de supergeleidende draad. Bi-2212-draden behoren tot een nieuwe generatie high-field supergeleiders voor het bouwen van supergeleidende magneten, die cruciale instrumenten zijn voor wetenschappelijk onderzoek in laboratoria over de hele wereld, waaronder het National High Magnetic Field Laboratory waar het team van onderzoekers hun experimenten uitvoerde.

Hoge temperatuur supergeleiders zoals Bi-2212 kunnen stroom geleiden bij veel hogere magnetische velden dan lage temperatuur supergeleiders (LTS) en zijn een belangrijk onderdeel van de ontwerpen voor nog krachtigere deeltjesversnellers bij de Large Hadron Collider bij de European Organization for Nuclear Research (CERN).

"We hebben de Bi-2212 ronde draden geoptimaliseerd om meer stroom te dragen, rekening houdend met het schaalverschil tussen het laboratorium en de fabrikant, " zei Oloye. "Het proces dat we in het laboratorium ontwikkelen, moet worden geschaald naar het productieniveau om de technologie commercieel levensvatbaar te maken en dat hebben we in het onderzoek kunnen doen."

Eerder werk van Fumitake Kametani, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan het FAMU-FSU College of Engineering, MagLab-onderzoeker, en hoofdonderzoeker voor het onderzoek, toonde het belang aan van quasi-biaxiale textuur in Bi-2212 ronde draden voor stromen. Dit artikel zette het uitgangspunt voort en demonstreerde de factoren die nodig zijn om een ​​optimale quasi-biaxiale textuur te bereiken.

"De gebruikte microstructurele karakterisering is uniek bij het analyseren van de kristalstructuur van Bi-2212 ronde draden, " zei Kametani. "De techniek wordt meestal gebruikt voor het analyseren van metalen en legeringen, en we hebben het aangepast om nieuwe monstervoorbereidingsmethoden te ontwikkelen om de optimalisatie van Bi-2212 HTS-draadtechnologieën te bevorderen."

Het grote doel is om Bi-2212 ronde draden te kunnen gebruiken in toekomstige toepassingen met hoogveldmagneten.

"Omdat het de enige hogetemperatuur-supergeleider is die beschikbaar is in ronde draadvorm, het materiaal kan bestaande technologieën gemakkelijker vervangen met behulp van LTS-draden gemaakt van andere materialen, " zei Oloye. "Andere HTS zoals REBCO en Bi-2223 zijn alleen beschikbaar in bandvorm, wat een extra laag complexiteit toevoegt aan het magneetontwerp."