Nyttiggörande av superatombegreppet i sökandet efter supraledning vid högre temperaturer

Forskningsprojekt, 2013 – 2016

För 101 år sedan upptäcktes att en metall, när den kyls under en kritisk temperatur, kan fås att leda ström utan motstånd, så kallad supraledning. Upptäckten skedde på kylningsteknologins då världsledande institution ledd av Heike Kamerlingh Onnes. Där bedrevs i början av förra seklet ett slags kylningens djuphavsdykning ner till trakterna av absoluta nollpunkten där till och med atomens värmerörelse upphör och endast kvantmekanikens mest subtila analogi till gung existerar. Denna maniska jakt på kyla kan endast förstås utgående från dagens jakt på hetta vid exempelvis partikelacceleratorn i Cern. Där som man pressar tekniken sker upptäckterna. När upptäckterna görs dras dock inte alltid omedelbart rätt slutsatser. Jämför Columbus upptäckt av sjövägen till Indien, som visade sig vara upptäckten av Amerika. På samma sätt trodde forskarna länge att supraledning endast kan återfinnas vid väldigt låga temperaturer. Så småningom fick allt fler forskningslaboratorier tillgång till kyltekniken och man började mäta ledningsförmåga på allt mer diversifierade material. Något förvånande fann man att metaller med medioker elektrisk ledningsförmåga ofta uppvisade de högre temperaturerna för supraledning. Långsamt, alltför långsamt höjdes värmerekorden för supraledning, så att 75 år efter dess upptäck hade de gått från -269oC till -250oC och tycktes ha stagnerat där. Det fanns goda skäl till denna stagnation. 1957, detta märkesår i fysikens historia, lyckads Bardeen, Cooper och Schrieffer BCS för första gången förstå fenomenet i grunden. En idealiserad kvantmekanisk modell av en metall kunde fås att bli supraledande genom att elektroner tilläts para sig, som ett sätt att häva en dissonans mellan elektronerna och det stilla gunget som atomerna i metallen utförde. Men om denna gungförmedlade parning var mekanismen för supraledning, så skulle man aldrig kunna nå högre än till ca -243oC, vilket stämde bra. Ända till år 1986. Då upptäckte Bednorz och Müller högtemperatursupraledning genom att inte lotsas om att det inte gick. Vi förstår idag att BCS-teorin endast beskriver den enklaste mekanismen för supraledning och alls inte den enda. Inom några få år höjdes rekordet till -134oC. Sedan dess har utvecklingen återigen stagnerat. Vi måste erkänna att vår förståelse för fenomenet är begränsad och detta trots att det skrivs hundratals vetenskapliga artiklar om året, som hävdar utmärkt överensstämmelse mellan förståelse och experiment. Hur kan det komma sig? Skälet är att experiment oftast belyser en detalj, en aspekt, av fenomenet. Samtidigt existerar en djup intuition för hur man kan beskriva det enskilda experimentella situationen utgående från en grundläggande förståelse för modellsystem som i sin tur överensstämmer med andra experiment. På så sätt lyckas man fysikaliskt belysa mätningarna. Dessa harmoniserade beskrivningar är häpnadsväckande effektiva och ligger till grund för avancerade fysikaliska förutsägelser och teknologi. Men de besvarar inte frågan "Hur nå högre kritiska temperaturer?" För att kunna göra det måste kan känna till hur supraledningen "avspeglar det material den bor i". Vilka komponenter och vilka villkor behöver egentligen vara uppfyllda för att superfenomenet ska uppstå? Vi har föreslagit och demonstrerat ett sätt att begreppsmässigt analysera supraledare i termer av byggelement, både kemiska och fysikaliska, som när de tillåts koppla till varandra, får rörliga elektroner att självmant och spontant träda in i det supraledande tillståndet. I motsats till BCS-teorin som endast behandlar rörliga elektroner, så beskriver vi tre elektroniska klasser - de som gör kemiska bindningar, andra "orörliga" elektroner samt rörliga som "blir över". Och medan endast parade rörliga elektroner kan bidra till supraledning i BCS-teorin, så kan våra rörlig elektronerna vara både parade och oparade med avseende på varandra i vår beskrivning. För när de rörliga elektronerna är oparade med avseende på varandra, så är de parade mot de "orörliga". Vi befinner oss i en oerhört spännande fas i vår forskning. Målet är att översätta den föreslagna förståelsen till kemiska strategier för framställning av nya högtemperatursupraledande material. Varför inte ett material, som supraleder under kalla vinterdagar eller kanske vid rumstemperatur? Blir surfning på magnetfält en framtida OS-gren? Fortsättning följer.