Supergeleiders - wonderbaarlijke materialen waarvan de weerstand onder een kritische temperatuur tot nul daalt - zijn veelbelovend om aan de groeiende vraag naar energie van de wereldbevolking te voldoen. Met potentiële toepassingen in magnetische resonantiebeeldvorming, nucleaire magnetische resonantie, magnetische medicijnafgifte, foutstroombegrenzers, transport (Maglev-treinen) en kabels, is er veel motivatie voor het ontdekken en ontwikkelen van supergeleiders bij hoge temperaturen.

In dit opzicht is magnesiumdiboride (MgB₂ ), een supergeleider voor hoge temperaturen, heeft veel aandacht gekregen vanwege de lage kosten, het lichte gewicht en de gemakkelijke fabricage. Er wordt gesteld dat MgB₂ heeft het potentieel om conventionele op niobium gebaseerde supergeleiders te vervangen in praktische technische toepassingen. Echter, bulk MgB₂ lijdt aan het al lang bestaande probleem van een onvoldoende kritische stroomdichtheid (de stroomdichtheid waarboven hij niet meer supergeleidend is) bij hoge magnetische velden. Dit beperkt op zijn beurt de grootschalige toepassingen enorm.

Om dit probleem aan te pakken, hebben onderzoekers geprobeerd externe elementen in gecontroleerde hoeveelheden toe te voegen, een proces dat bekend staat als "doping", tijdens de synthese van bulk MgB₂ , met weinig tot geen succes. Zoals Prof. Muralidhar Miryala van het Shibaura Institute of Technology (SIT), Japan stelt:"Tot nu toe hebben onderzoekers geprobeerd de kritische stroomdichtheid van bulk MgB₂ te verbeteren door dotering met siliciumcarbide, andere koolstofbronnen, zilver, overgangsmetalen enz. Wel verdere verbetering van de kritische stroomdichtheid van MgB₂ is cruciaal voor verschillende industriële toepassingen."

Niet alle hoop is echter verloren. Het team van prof. Miryala slaagde erin om aan te tonen dat sinteren MgB₂ bij ongeveer 800°C gedurende 3 uur in een argonomgeving kan leiden tot superieure supergeleidende prestaties. Dit was gekoppeld aan de vorming van een optimale microstructuur bij dergelijke verwerkingsomstandigheden, die een grote rol bleek te spelen in de supergeleiding van MgB₂ .

In een recente studie die voor het eerst werd gepubliceerd op 7 juli 2022, in Advanced Engineering Materials , heeft het team van prof. Miryala opnieuw een doorbraak bereikt. Ze ontdekten dat het combineren van optimale sinteromstandigheden met gecontroleerde toevoeging van amorf boor- en dysprosiumoxide ter grootte van een nanometer (Dy₂ O₃ ) verbeterde de kritische stroomdichtheid bij hoge velden (J_c ) van MgB₂ evenals zijn eigen veld. De studie omvatte Prof. M.S. Ramachandra Rao van het Indian Institute of Technology Madras (IITM), India, die steun verleende aan het wereldwijde projectgebaseerd leren (gPBL)-programma bij IITM, en bijdragen van K. Kitamoto, A. Sai Srikanth en M. Masato van SIT, D Dhruba van IITM.

Wat was opmerkelijk aan Dy₂ O₃ als doteringsmiddel was dat het bijna geen effect had op de supergeleidende overgangstemperatuur van MgB₂ (die stabiel bleef rond de 38 K).

Bovendien, Dy₂ O₃ toevoeging leidde tot de vorming van DyB₄ nanodeeltjes, waardoor verdere fluxpinning bij MgB₂ nanokorrelgrenzen. Verder hielp het gebruik van nano-boriumprecursor bij het maken van MgB₂ nanokorrels met uitzonderlijke korrelgrens flux pinning. Als resultaat werd een superieure kritische stroomdichtheid bereikt.

Met behulp van amorf nanoboor als startbestanddeel kwantificeerde het team de precieze hoeveelheid Dy₂ O₃ die moesten worden toegevoegd om J_c . aanzienlijk te verbeteren in bulk MgB₂ supergeleiders. Door de structuur en samenstelling te analyseren met technieken als röntgendiffractie en Raman-spectroscopie, en de supergeleidende eigenschappen van gedoteerd bulk MgB₂ , vonden ze de ideale Dy₂ O₃ dopingbereik van 0,5-1,5%.

Met deze bevindingen is het team enthousiast over de toekomstperspectieven van MgB₂ . "Deze resultaten demonstreren het potentieel van Dy₂ O₃ doping naast nanoboriumprecursoren bij het realiseren van bulk MgB₂ voor praktische supergeleidende toepassingen", zegt prof. Miryala. "Ons onderzoek draagt ​​bij aan de bestaande literatuur over manieren om J_c te verbeteren en zou de weg kunnen effenen voor real-life bulk supergeleiders, die een baken zijn voor duurzame technologieën." + Verken verder

Nieuwe raffinagetechniek maakt goedkopere supergeleiders werkelijkheid