Natuurkundigen aan de Universiteit van Bath in het VK, in samenwerking met onderzoekers uit de VS, hebben een nieuw mechanisme ontdekt waardoor magnetisme en supergeleiding naast elkaar kunnen bestaan ​​in hetzelfde materiaal. Tot nu, wetenschappers konden alleen maar raden hoe deze ongewone coëxistentie mogelijk zou zijn. De ontdekking zou kunnen leiden tot toepassingen in groene energietechnologieën en in de ontwikkeling van supergeleidende apparaten, zoals computerhardware van de volgende generatie.

Als een regel, supergeleiding (het vermogen van een materiaal om een ​​elektrische stroom met perfecte efficiëntie door te laten) en magnetisme (gezien aan het werk in koelkastmagneten) maken slechte kameraden omdat de uitlijning van de kleine elektronische magnetische deeltjes in ferromagneten over het algemeen leidt tot de vernietiging van de verantwoordelijke elektronenparen voor supergeleiding. Ondanks dit, hebben de Bath-onderzoekers ontdekt dat de op ijzer gebaseerde supergeleider RbEuFe4As4, die onder -236°C supergeleidend is, vertoont zowel supergeleiding als magnetisme onder -258°C.

Postdoctoraal onderzoeker natuurkunde David Collomb, die het onderzoek leidde, legde uit:"Er is een toestand in sommige materialen waar, als je ze echt koud krijgt - aanzienlijk kouder dan Antarctica - worden ze supergeleidend. Maar om deze supergeleiding naar toepassingen op het volgende niveau te brengen, het materiaal moet naast magnetische eigenschappen bestaan. Dit zou ons in staat stellen om apparaten te ontwikkelen die werken op een magnetisch principe, zoals magnetisch geheugen en berekening met behulp van magnetische materialen, om ook te genieten van de voordelen van supergeleiding.

"Het probleem is dat supergeleiding meestal verloren gaat wanneer magnetisme wordt ingeschakeld. Gedurende vele decennia, wetenschappers hebben geprobeerd een groot aantal materialen te onderzoeken die beide eigenschappen in een enkel materiaal hebben, en materiaalwetenschappers hebben onlangs enig succes gehad met het fabriceren van een handvol van dergelijke materialen. Echter, zolang we niet begrijpen waarom het samenleven mogelijk is, de jacht op deze materialen kan niet worden gedaan met zo'n fijne kam.

"Dit nieuwe onderzoek geeft ons een materiaal met een breed temperatuurbereik waar deze verschijnselen naast elkaar bestaan, en dit zal ons in staat stellen om de interactie tussen magnetisme en supergeleiding nauwkeuriger en gedetailleerder te bestuderen. Hopelijk, dit zal ertoe leiden dat we het mechanisme kunnen identificeren waardoor deze coëxistentie kan plaatsvinden."

In een studie gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , het team onderzocht het ongebruikelijke gedrag van RbEuFe4As4 door magnetische veldkaarten te maken van een supergeleidend materiaal terwijl de temperatuur daalde. Tot hun verbazing, ze ontdekten dat de wervels (de punten in het supergeleidende materiaal waar het magnetische veld doordringt) een uitgesproken verbreding vertoonden rond de temperatuur van -258°C, wat wijst op een sterke onderdrukking van supergeleiding toen het magnetisme werd ingeschakeld.

Deze waarnemingen komen overeen met een theoretisch model dat onlangs is voorgesteld door Dr. Alexei Koshelev van het Argonne National Laboratory in de VS. Deze theorie beschrijft de onderdrukking van supergeleiding door magnetische fluctuaties als gevolg van de Europium (Eu) atomen in de kristallen. Hier, de magnetische richting van elk Eu-atoom begint te fluctueren en uit te lijnen met de andere, als het materiaal onder een bepaalde temperatuur zakt. Hierdoor wordt het materiaal magnetisch. De Bath-onderzoekers concluderen dat, hoewel supergeleiding aanzienlijk wordt verzwakt door het magnetische effect, het is niet volledig vernietigd.

"Dit suggereert dat in ons materiaal, het magnetisme en de supergeleiding worden van elkaar gescheiden in hun eigen subroosters, die slechts minimaal interageren, zei meneer Collomb.

"Dit werk bevordert aanzienlijk ons ​​begrip van deze zeldzame naast elkaar bestaande verschijnselen en zou kunnen leiden tot mogelijke toepassingen in de supergeleidende apparaten van de toekomst. Het zal een diepere jacht op materialen veroorzaken die zowel supergeleiding als magnetisme vertonen. We hopen dat het onderzoekers ook zal aanmoedigen om meer toegepaste velden om een ​​deel van deze materialen te nemen en er de volgende generatie computerapparatuur van te maken.

"Hopelijk, de wetenschappelijke gemeenschap zal geleidelijk een tijdperk ingaan waarin we van onderzoek aan de hemel overgaan naar het maken van apparaten van deze materialen. Over een decennium of zo, we zouden prototype-apparaten kunnen zien die deze technologie gebruiken die echt werk doen."

De Amerikaanse medewerkers voor dit project waren het Argonne National Laboratory, Hofstra University en Northwestern University.