Vandaag heeft een internationaal team van onderzoekers onder leiding van Séamus Davis, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Oxford en University College Cork, resultaten bekendgemaakt die het atomaire mechanisme achter supergeleiders bij hoge temperaturen onthullen. De bevindingen zijn gepubliceerd in PNAS .

Supergeleiders zijn materialen die elektriciteit kunnen geleiden zonder weerstand, zodat een elektrische stroom oneindig lang kan voortduren. Deze worden al in verschillende toepassingen gebruikt, waaronder MRI-scanners en hogesnelheidsmagneettreinen, maar supergeleiding vereist doorgaans extreem lage temperaturen, waardoor het wijdverbreide gebruik ervan wordt beperkt. Een belangrijk doel van natuurkundig onderzoek is het ontwikkelen van supergeleiders die werken bij omgevingstemperaturen, wat een revolutie teweeg kan brengen in het transport en de opslag van energie.

Bepaalde koperoxidematerialen vertonen supergeleiding bij hogere temperaturen dan conventionele supergeleiders, maar het mechanisme hierachter is sinds hun ontdekking in 1987 onbekend gebleven.

Om dit te onderzoeken heeft een internationaal team met wetenschappers in Oxford, Cork in Ierland, de VS, Japan en Duitsland twee nieuwe microscopietechnieken ontwikkeld. De eerste hiervan mat het verschil in energie tussen de koper- en zuurstofatoomorbitalen, als functie van hun locatie. De tweede methode meet de amplitude van de elektronenpaargolffunctie (de sterkte van de supergeleiding) bij elk zuurstofatoom en bij elk koperatoom.

"Door de sterkte van de supergeleiding te visualiseren als een functie van verschillen tussen orbitale energieën, waren we voor het eerst in staat om precies de relatie te meten die nodig is om een ​​van de leidende theorieën over supergeleiding bij hoge temperatuur op atomaire schaal te valideren of ongeldig te maken. ", zei professor Davis.

Zoals voorspeld door de theorie, toonden de resultaten een kwantitatieve, inverse relatie tussen het verschil in ladingsoverdrachtsenergie tussen aangrenzende zuurstof- en koperatomen en de sterkte van de supergeleiding.

Volgens het onderzoeksteam zou deze ontdekking een historische stap kunnen zijn in de richting van de ontwikkeling van supergeleiders bij kamertemperatuur. Uiteindelijk kunnen deze verreikende toepassingen hebben, variërend van maglev-treinen, kernfusiereactoren, kwantumcomputers en hoogenergetische deeltjesversnellers, om nog maar te zwijgen van superefficiënte energieoverdracht en -opslag.

In supergeleidermaterialen wordt de elektrische weerstand geminimaliseerd omdat de elektronen die de stroom voeren aan elkaar zijn gebonden in stabiele "Cooper-paren". In supergeleiders bij lage temperatuur worden Cooper-paren bij elkaar gehouden door thermische trillingen, maar bij hogere temperaturen worden deze te onstabiel. Deze nieuwe resultaten tonen aan dat, in supergeleiders bij hoge temperatuur, de Cooper-paren bij elkaar worden gehouden door magnetische interacties, waarbij de elektronenparen aan elkaar binden via een kwantummechanische communicatie via het tussenliggende zuurstofatoom.

Professor Davis voegde eraan toe dat "dit al bijna 40 jaar een van de heilige gralen van problemen in natuurkundig onderzoek is. Veel mensen geloven dat goedkope, gemakkelijk verkrijgbare supergeleiders op kamertemperatuur net zo revolutionair zouden zijn voor de menselijke beschaving als de introductie van elektriciteit zelf. " + Verder verkennen

Een venster op atoomschaal naar supergeleiding maakt de weg vrij voor nieuwe kwantummaterialen