Wetenschap
Wetenschappers onthullen de eerste onconventionele supergeleider die in minerale vorm in de natuur kan worden aangetroffen
Wetenschappers van het Ames National Laboratory hebben de eerste onconventionele supergeleider geïdentificeerd met een chemische samenstelling die ook in de natuur voorkomt. Miassiet is een van de slechts vier mineralen die in de natuur voorkomen en die als supergeleider fungeren wanneer ze in het laboratorium worden gekweekt. Uit het onderzoek van het team naar miassiet is gebleken dat het een onconventionele supergeleider is met eigenschappen die vergelijkbaar zijn met supergeleiders bij hoge temperaturen.
Hun bevindingen, gepubliceerd in Communicatiemateriaal , vergroot het inzicht van wetenschappers in dit soort supergeleiding, wat in de toekomst zou kunnen leiden tot duurzamere en economischere, op supergeleiders gebaseerde technologie.
Van supergeleiding is sprake wanneer een materiaal elektriciteit kan geleiden zonder energieverlies. Supergeleiders hebben toepassingen waaronder medische MRI-machines, stroomkabels en kwantumcomputers. Conventionele supergeleiders zijn goed bekend, maar hebben lage kritische temperaturen. De kritische temperatuur is de hoogste temperatuur waarbij een materiaal als supergeleider fungeert.
In de jaren tachtig ontdekten wetenschappers onconventionele supergeleiders, waarvan er vele veel hogere kritische temperaturen hebben. Volgens Ruslan Prozorov, een wetenschapper bij Ames Lab, worden al deze materialen in het laboratorium gekweekt. Dit feit heeft geleid tot de algemene overtuiging dat onconventionele supergeleiding geen natuurlijk fenomeen is.
Prozorov legde uit dat het moeilijk is om supergeleiders in de natuur te vinden, omdat de meeste supergeleidende elementen en verbindingen metalen zijn en de neiging hebben te reageren met andere elementen, zoals zuurstof. Hij zei dat miassite (Rh17 S15 ) is om verschillende redenen een interessant mineraal, waarvan er één de complexe chemische formule is. "Intuïtief denk je dat dit iets is dat opzettelijk wordt geproduceerd tijdens een gerichte zoektocht, en dat het onmogelijk in de natuur kan bestaan", zei Prozorov, "maar het blijkt dat dit wel het geval is."
Paul Canfield, hoogleraar natuurkunde en astronomie aan de Iowa State University en wetenschapper aan het Ames Lab, heeft expertise op het gebied van ontwerp, ontdekking, groei en karakterisering van nieuwe kristallijne materialen. Voor dit project synthetiseerde hij hoogwaardige miassietkristallen. "Hoewel miassiet een mineraal is dat werd ontdekt nabij de Miass-rivier in de oblast Tsjeljabinsk, Rusland," zei Canfield, "is het een zeldzaam mineraal dat over het algemeen niet groeit als goed gevormde kristallen."
Het kweken van de miassietkristallen was onderdeel van een grotere poging om verbindingen te ontdekken die elementen met een zeer hoog smeltpunt (zoals Rh) en vluchtige elementen (zoals S) combineren. "In tegenstelling tot de aard van de pure elementen, hebben we het gebruik van mengsels van deze elementen onder de knie, waardoor kristallen bij lage temperatuur kunnen groeien met minimale dampdruk", aldus Canfield.
"Het is alsof je een verborgen visgat vindt dat vol zit met dikke vissen. In het Rh-S-systeem hebben we drie nieuwe supergeleiders ontdekt. En door de gedetailleerde metingen van Ruslan ontdekten we dat de miassiet een onconventionele supergeleider is."
De groep van Prozorov is gespecialiseerd in geavanceerde technieken om supergeleiders bij lage temperaturen te bestuderen. Hij zei dat het materiaal zo koud moest zijn als 50 millikelvin, wat ongeveer -460°F is.
Het team van Prozorov gebruikte drie verschillende tests om de aard van de supergeleiding van miassit te bepalen. De belangrijkste test wordt de "penetratiediepte van Londen" genoemd. Het bepaalt hoe ver een zwak magnetisch veld de supergeleidermassa vanaf het oppervlak kan doordringen. In een conventionele supergeleider is deze lengte in principe constant bij lage temperaturen. In onconventionele supergeleiders varieert dit echter lineair met de temperatuur. Uit deze test bleek dat miassiet zich gedraagt als een onconventionele supergeleider.
Een andere test die het team uitvoerde, was het introduceren van defecten in het materiaal. Prozorov zei dat deze test een kenmerkende techniek is die zijn team de afgelopen tien jaar heeft toegepast. Het gaat om het bombarderen van het materiaal met hoogenergetische elektronen. Bij dit proces worden ionen uit hun posities verwijderd, waardoor defecten in de kristalstructuur ontstaan. Deze stoornis kan veranderingen in de kritische temperatuur van het materiaal veroorzaken.
Conventionele supergeleiders zijn niet gevoelig voor niet-magnetische storingen, dus deze test zou geen of zeer weinig verandering in de kritische temperatuur laten zien. Onconventionele supergeleiders hebben een hoge gevoeligheid voor wanorde, en het introduceren van defecten verandert of onderdrukt de kritische temperatuur. Het beïnvloedt ook het kritische magnetische veld van het materiaal. Bij toeval ontdekte het team dat zowel de kritische temperatuur als het kritische magnetische veld zich gedroegen zoals voorspeld in onconventionele supergeleiders.
Onderzoek naar onconventionele supergeleiders verbetert het inzicht van wetenschappers in hoe ze werken. Prozorov legde uit dat dit belangrijk is omdat "het blootleggen van de mechanismen achter onconventionele supergeleiding de sleutel is tot economisch verantwoorde toepassingen van supergeleiders."