Uniavisen
Københavns Universitet
Uafhængig af ledelsen

Videnskab

Faststof-fysikkens største mysterium skal have en forklaring

Superledning — På Niels Bohr Institutet arbejder Brian Møller Andersen med at finde ud af, hvorfor en ny gruppe af højtemperatur-superledere overhovedet virker. For det burde de ikke gøre. Hvis forskerne finder forklaringen, kan superledning få et gennembrud.

Brian Møller Andersen er lektor og fysiker på Niels Bohr Institutet, NBI, og skal løse en forskningsopgave inden for et felt, han selv karakteriserer som faststoffysikkens største mysterium lige nu:

»Det forbliver en gåde for os fysikere: Hvorfor er nogle af de nyeste, højtemperatur-superledere superledende? Vi kan ikke forklare det,« siger Brian Møller Andersen.

Superledning er den egenskab, at en elektrisk leder er i stand til at lede strøm helt uden modstand; det vil sige uden tab af energi, fordi den ikke har nogen indre elektrisk modstand for elektronerne, der løber igennem den. I dag bruger superledning mest i mange nicheting a la hospitalers MR scannere til at detektere bittesmå magnetfelter med – men løser forskerne gåden, kan superledning bruges til meget mere.

To grupper af superledere

For at forklare vigtigheden af Brian Møller Andersens forskning er det nødvendigt først at forstå, at der i dag overordnet set er to grupper af superledere.

Når det gælder den gruppe af superledere, som fysikere studerede helt tilbage fra begyndelsen af det 20. århundrede, og som Brian Møller Andersen kalder for ‘de konventionelle’, så har fysikerne i dag en god model til at forklare, hvorfor og hvordan de virker superledende.

De jernbaserede superledere kan vise sig at være kommercielt meget interessante, fordi de kan blive superledende ved ’kun’ minus 150 grader
***

Den teoretiske fysik bag den model blev opdaget allerede i 1950erne og 1960erne, og fysikerne kan i dag forudsige superledning i materialer til brug i konventionelle superledere.

Gemmer på hemmeligheden

I 1987 skete der imidlertid noget, da en ny klasse af materialer til superledere så dagens lys. Indtil da havde alle teorier om superledning forudsagt, at kun superledere lavet af ikke-magnetiske materialer kunne være superledende, men de nye superledere viste sig netop at kunne være både magnetiske og superledende.

Brian Møller Andersen, lektor NBI

I 2008 opdagede fysikerne desuden de jernbaserede superledere, der er en undergruppe inden for højtemperatur-superlederne, og især den måde, de jernbaserede arbejder på, bliver ved med at udgøre et mysterium for forskerne.

»Vi forstår dem ikke, for jern burde være magnetisk og dermed forhindre superledning. Derfor burde de ikke være superledende,« siger Brian Møller Andersen.

Mere effektive superledere

De jernbaserede superledere kan vise sig at være kommercielt meget interessante, fordi de kan blive superledende ved ’kun’ minus 150 grader – som køleteknisk set er ganske ukompliceret at nå ned på.

Der er nemlig en stor ulempe ved de gamle, konventionelle superledere: De bedste af dem skal køles helt ned til temperaturer under minus 260 grader Celcius. En så kraftig køling koster en masse energi (og dermed penge). Hvis superlederen i stedet kun skulle køles ned til fx minus 100 grader, ville den blive mere økonomisk fordelagtig.

Derfor har det siden 1970erne været den hellige gral inden for superledning at opdage materialer, der kan superlede ved højere og højere temperaturer. Til det formål er forskerne imidlertid nødt til at udvikle modeller, der gør det muligt at regne teoretisk på kombinationer af metallegeringerne i de jern-baserede materialer til superledere.

For meget at regne på

Her kommer Brian Møller Andersens forskning ind i billedet, for hvis en teoretisk model for de jern-baserede superledere skal fungere, skal fysikerne forstå, hvorfor superledning overhovedet finder sted. Og så langt er fysikerne ikke nået endnu.

»Vi kan godt opskrive en model for de jernbaserede superledere, men vi kan ikke løse den model, vi skriver op, for den er alt for kompleks,« siger Brian Møller Andersen.

Han fortæller, at en sådan model skal være i stand til at kunne forklare og forudsige superledning for et ufatteligt stort antal af elektroner – 10 i 22. potens (10²²). Det svarer til et tal, der består af et 1-tal med 22 nuller efter sig eller ti trilliarder, og så mange elektroner kan ingen computer regne på.

Jernatomers elektroner superleder

For at forstå den problematik, som Brian Møller Andersen skal arbejde med, er det nødvendigt at kunne noget af fysikkens historie:

»Det tog 50 år, førend fysikerne i 50erne og 60erne blev i stand til at forklare superledning i de konventionelle superledere, og både Niels Bohr og Albert Einstein og mange de andre, store fysikere fejlede med at forstå dem,« siger Brian Møller Andersen.

»Det helt afgørende i forståelsen af konventionelle superledere går på, at atomer sidder i forhold til hinanden i et gitter med deres elektroner, og atomgitteret vibrerer en smule. Normalt vil elektroner inde i et materiale frastøde hinanden, fordi de alle er negativt ladede. Det umuliggør superledning, men under visse omstændigheder og temperaturer bliver atomgitterets vibrationer særlig passende på en måde, der gør, at elektronerne alligevel tiltrækker hinanden, og der opstår superledning.«

Modellen har gjort det muligt for fysikerne at beregne materialer, der kan lave superledning, men som sagt kun så længe de er baseret på materialer lavet til den gamle, konventionelle gruppe af superledere.

Mysteriet er gemt i jernatomets elektroner

Når det gælder de nye jernbaserede højtemperatur-superledere, er det en helt anden sag. Fysikerne ved stadig utrolig lidt om, hvordan de fungerer. Det er lidt af et paradoks, fordi selvom fysikerne har studeret deres materialer så intensivt over 30 år, at de er nogle af de mest studerede materialer overhovedet, forbliver de alligevel et mysterium – dog med enkelte fremskridt.

»Vi har forstået, at det er jernatomernes elektroner, der giver anledning til superledning i den nye klasse af materialer, der ofte består af materialer af tre til fire forskellige grundstoffer. Det har vi fundet ud af rent eksperimentelt, og her på NBI er vi blandt de første, der med succes har kunnet lave en model for superledning, der inkluderer alle elektronerne fra de yderste orbitaler af jernatomerne. Det har vist sig at være vigtigt, fordi superlednings struktur på overraskende vis afhænger af vekselvirkninger imellem jernatomernes 3d-orbitaler,« siger Brian Møller Andersen.

3d-orbitalerne er elektronernes måde at befinde sig i kløverlignende tilstande omkring et jernatoms kerne.

Fysikerne ved nu, at i de nye jernbaserede superledere er gittervibrationerne fuldstændig irrelevante (i modsætning til i de konventionelle superledere, hvor det netop er gittervibrationerne, der under de rette forhold kan føre til superledning).

Der må altså være noget andet på spil, men fysikerne ved bare ikke endnu, hvad det er. Deri består tidens største fysikmysterium. Løsningen gemmer sig i inde i et meget lille jernatoms 3d-orbital af elektroner, som har vist sig meget svært at aflure i praksis.

De nye jernbaserede superledere består nemlig af tre til fire forskellige grundstoffer i alle mulige forhold. Det giver nærmest et uendeligt antal muligheder for at lave et superledende materiale. Derfor er det i praksis umuligt at prøve sig frem for at finde en løsning, og derfor er det så vigtigt for forskerne at kunne beregne mulighederne i de nye jernbaserede superledere. Det kræver, at fysikerne har en fungerende model for, hvordan de fungerer.

Brug for kommercielt gennembrud

Lykkes projektet, kan det få store konsekvenser.

Som eksempel nævner Brian Møller Andersen magnettog. I Shanghai i Kina har de fx allerede hurtige magnettog, der svæver uden rullemodstand over banelegemet ved hjælp af superledende materialer – men de er baseret på de gamle, konventionelle superledere, der kræver så meget energi til køling, at Brian Møller Andersen tvivler på, at der overhovedet er nogen energimæssig eller økonomisk fordel ved at køre med magnettog i dag.

Desværre er vi stadigvæk lidt svage i Danmark i materialeforskningen på området, mens det er meget stort i Kina og Japan
Brian Møller Andersen

Hvis togene i stedet kunne få nye og jernbaserede højtemperatur-superledere installeret, ville regnestykket blive et helt andet, tror han. Det samme gælder for superledende elkabler og andre teknologier for transport af elektrisk energi, der ikke kan få et kommercielt gennembrud, så længe der ikke er sket et gennembrud på omkostningssiden.

Derfor står der meget på spil, hvis det lykkes at konstruere højtemperatur-superledere. Måske vil vores hverdag ikke blive ligefrem revolutioneret,  men der vil opstå mange nye tekniske muligheder, som vi kan udnytte, mener Brian Møller Andersen.

Bidrager også til grundforskning

Forskningsområdet er også kæmpestort i hele verden, fortæller Brian Møller Andersen.

»Desværre er vi stadigvæk lidt svage i Danmark i materialeforskningen på området, mens det er meget stort i Kina og Japan samt visse steder i USA, Tyskland og Schweiz,« siger han og fortsætter:

»Desuden er der grundforskningsmæssigt set masser af spændende spørgsmål, der i sig selv er interessante at forstå, og som måske kan bruges til noget helt andet end til superledning. Det er et stort felt, der også indeholder andre effekter end magnetisme. Det gælder så fysiker-eksotiske fænomener som kvante-kritikalitet, nematisme og magneto-elektriske egenskaber.«

Forskningsbevilling til at løse mysteriet

På grund af alt det har han netop modtaget en forskningsbevilling fra Danmarks Frie Forskningsråd.

Den skal Brian Møller Andersen bruge til at ansætte en postdoc samt en ph.d.-studerende, der sammen med ham skal forske videre i modeller for højtemperatur-superledning.

»Vi ønsker at løse mysteriet og finde ud af præcist, hvordan vekselvirkninger mellem jernatomernes 3d-elektroner giver anledning til ukonventionel superledning. På den måde vil vi lære noget om det spændende samspil, der er mellem magnetisme og superledning og forhåbentlig i sidste ende også forudsige nye materialer, der kan blive bedre superledere,« siger Brian Møller Andersen.

# Skriv kommentar
Share

Join the discussion

Seneste