Een nieuwe supergeleider

Een nieuwe klasse van hoge-temperatuur supergeleiders, eerder dit jaar ontdekt, gedraagt ​​zich heel anders dan voorheen bekende koper-zuurstof supergeleiders. In plaats daarvan lijken de nieuwe materialen een supergeleidingsmechanisme te volgen dat voorheen alleen werd gevonden in materialen die supergeleidend zijn bij zeer lage temperaturen, Chia-Ling Chien en zijn collega's van de Johns Hopkins University rapporteren in een online Natuur papier.



Geen weerstand: Nieuwe supergeleiders bevatten afwisselende lagen ijzerarsenide (oranje en rood) en zeldzame aardmetaaloxiden (blauw en grijs) gedoteerd met fluor (groen). IJzerarsenideverbindingen worden supergeleidend bij relatief hoge temperaturen van 55 K, en onderzoekers beginnen nu hun supergeleidende mechanisme te ontcijferen.

Het inzicht is een belangrijke stap om te begrijpen hoe supergeleiders werken, en het kan onderzoekers helpen om nog betere materialen te ontwerpen. Hoge temperatuur supergeleiders kunnen leiden tot goedkopere MRI-machines; kleinere, lichtere stroomkabels; en veel energie-efficiëntere en veiligere elektriciteitsnetten. Nutsbedrijven zouden bijvoorbeeld supergeleidende magneten kunnen gebruiken om 's nachts energie op te slaan en deze vervolgens 's ochtends en' s avonds tijdens piekuren te gebruiken.





Supergeleidende materialen geleiden elektrische stroom zonder verlies wanneer ze onder een bepaalde temperatuur worden gekoeld, de zogenaamde kritische temperatuur. Niobiumlegeringen, die worden gebruikt om supergeleidende magneten voor MRI-machines te maken, zijn alleen supergeleidend onder de 10 K. Koper-zuurstofverbindingen, of cupraten, die eind jaren tachtig werden ontdekt, zijn supergeleidend bij veel hogere temperaturen van 90 tot 138 K. Bij deze temperaturen , goedkope, gebruiksvriendelijke vloeibare stikstof kan als koelmiddel worden gebruikt. (Cuprates worden niet gebruikt voor MRI-magneten omdat het moeilijk en duur is om er draden van te maken.) En sommige fabrikanten maken stikstofgekoelde supergeleidende kabels voor transmissielijnen.

Maar onderzoekers hebben lang geprobeerd materialen te vinden met nog hogere kritische temperaturen. De heilige graal werkt [supergeleiders] bij kamertemperatuur, zegt natuurkundige Jeffrey Lynn , die supergeleiders bestudeert aan het National Institute of Standards and Technology. Supergeleidende stroomkabels, MRI-machines en apparaten voor energieopslag zouden goedkoper en kleiner zijn als ze geen koeling nodig hadden.

De nieuwe supergeleiders van ijzerarsenide hebben laten zien dat ze hoge kritische temperaturen kunnen bereiken. Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology rapporteerden voor het eerst in een artikel van februari in Tijdschrift van de American Chemical Society dat een lanthaan-ijzerarsenidemateriaal supergeleidend wordt bij 26 K. Sindsdien hebben Chinese onderzoekers de kritische temperatuur opgedreven tot 55 K. Dat is lang niet zo hoog als de supergeleidende temperaturen voor cuprates, maar Johns Hopkins' Chien zegt dat dit een nieuwe materiaal om te verkennen, en men hoopt dat we nog hogere temperaturen zullen krijgen.



De chemische structuur van het nieuwe materiaal maakt het bijzonder spannend. Het bevat oxiden van zeldzame aardmetalen ingeklemd tussen lagen ijzerarsenide. De structuur zorgt voor veel knutselwerk dat de eigenschappen van het materiaal aanpast, zegt Lynn. Onderzoekers kunnen bijvoorbeeld de ijzer-, arseen- of zeldzame aardmetalen vervangen door andere elementen. In feite hebben Chinese onderzoekers het lanthaan in het originele Japanse materiaal vervangen door andere zeldzame aardmetalen, zoals samarium, om de kritische temperatuur boven de 50 K te brengen. Er zijn veel verschillende soorten chemische substituties die je kunt proberen, zegt Lynn. Ze zijn eigenlijk flexibeler dan cuprates.

De nieuwe supergeleiders kunnen ook een ander cruciaal voordeel hebben, zegt David Christen, die het supergeleideronderzoek leidt bij Oak Ridge National Laboratory. Terwijl cuprate-stroomkabels moeten worden gefabriceerd als speciaal ontworpen platte tapes, is het misschien gemakkelijker om draden te maken van ijzerarsenide-halfgeleiders. Deze materialen kunnen praktischer zijn dan cuprates als blijkt dat ze gemakkelijker en goedkoper te maken zijn, zegt Christen.

Onderzoekers hopen ook dat ijzerarseniden het mysterie zullen helpen ontrafelen van hoe supergeleiders bij hoge temperaturen werken. Dat is essentieel voor het ontwerpen van materialen met nog hogere kritische temperaturen. In supergeleiders die bij zeer lage temperaturen werken, zoals niobium en lood, vormen elektronen paren onder de kritische temperatuur. Atomen of defecten in het kristal hebben niet de energie die nodig is om het paar te breken en de elektronen af ​​te buigen. Het elektronenpaar ritst dus ongehinderd om het materiaal, waardoor supergeleiding ontstaat. Maar deze koppelingstheorie gaat niet op voor koper-zuurstofmaterialen met een hoge temperatuur.

in hun Natuur paper laten Chien en zijn collega's bewijs zien dat suggereert dat de koppelingstheorie zou kunnen gelden voor de ijzerarsenide-supergeleiders. Het koppelen van elektronen is de ziel van de supergeleider, zegt Chien. Als de nieuwe materialen de [pairing]-theorie volgen, dan … zullen we de materialen een beetje gemakkelijker kunnen begrijpen.



Er zal meer bewijs nodig zijn van experimenten met veel verschillende ijzerarsenideverbindingen om te bevestigen hoe de supergeleiders werken, zegt Pengcheng Dai , een natuurkundeprofessor aan de Universiteit van Tennessee, in Knoxville. Het werk van Johns Hopkins is slechts een stukje van de puzzel, zegt hij. Hoewel het koppelingsmechanisme van ijzerarseniden misschien anders is dan dat van koper-zuurstofverbindingen, hebben de twee materialen ook overeenkomsten. In een recent online artikel, ook gepubliceerd in Natuur , Dai en Lynn toonden aan dat de twee materialen belangrijke magnetische eigenschappen delen. En beide materialen hebben ook een vergelijkbare gelaagde structuur.

Het is misschien nog te vroeg om te zeggen hoe nuttig de ijzerarsenide-supergeleiders zullen zijn. Voor nu zegt Dai dat onderzoekers enthousiast zijn over het doorbreken van het 22-jarige monopolie op cuprates en over het hebben van een nieuwe hoge-temperatuur supergeleider om mee te spelen.

zich verstoppen

Werkelijke Technologieën

Categorie

Geen Categorie

Technologie

Biotechnologie

Technisch Beleid

Klimaatverandering

Mensen En Technologie

Siliconen Vallei

Computergebruik

Mit Nieuws Tijdschrift

Kunstmatige Intelligentie

Ruimte

Slimme Steden

Blockchain

Toekomst Verhaal

Alumni Profiel

Alumni Aansluiting

Mit Nieuws-Functie

1865

Mijn Uitzicht

Massaweg 77

Ontmoet De Auteur

Profielen In Vrijgevigheid

Gezien Op De Campus

Alumnibrieven

Nieuws

Verkiezingen 2020

Met Index

Onder De Koepel

Brandslang

Oneindige Verhalen

Pandemisch Technologieproject

Van De President

Coververhaal

Fotogallerij

Aanbevolen