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Ein neuer Supraleiter
Eine neue Klasse von Hochtemperatur-Supraleitern, die Anfang dieses Jahres entdeckt wurde, verhält sich ganz anders als bisher bekannte Kupfer-Sauerstoff-Supraleiter. Stattdessen scheinen die neuen Materialien einem Supraleitungsmechanismus zu folgen, der zuvor nur in Materialien gefunden wurde, die bei sehr niedrigen Temperaturen supraleitend sind. Chia-Ling Chien und seine Kollegen von der Johns Hopkins University berichten in einem Online Natur Papier.
Kein Widerstand: Neue Supraleiter enthalten alternierende Schichten aus Eisenarsenid (orange und rot) und Seltenerdmetalloxiden (blau und grau) dotiert mit Fluor (grün). Eisenarsenidverbindungen werden bei relativ hohen Temperaturen von 55 K supraleitend, und Forscher beginnen nun, ihren supraleitenden Mechanismus zu entschlüsseln.
Die Erkenntnisse sind ein wichtiger Schritt zum Verständnis der Funktionsweise von Supraleitern und könnten Forschern helfen, noch bessere Materialien zu entwickeln. Hochtemperatur-Supraleiter könnten zu billigeren MRT-Geräten führen; kleinere, leichtere Stromkabel; und weitaus energieeffizientere und sicherere Stromnetze. Versorgungsunternehmen könnten zum Beispiel supraleitende Magnete verwenden, um nachts Energie zu speichern und sie dann morgens und abends zu Spitzenlastzeiten zu verwenden.
Supraleitende Materialien leiten den elektrischen Strom ohne Verluste, wenn sie unter eine bestimmte Temperatur, die sogenannte kritische Temperatur, abgekühlt werden. Niob-Legierungen, die zur Herstellung supraleitender Magnete für MRT-Geräte verwendet werden, sind nur unterhalb von 10 K supraleitend. Kupfer-Sauerstoff-Verbindungen oder Kuprate, die Ende der 1980er Jahre entdeckt wurden, sind bei viel höheren Temperaturen von 90 bis 138 K supraleitend. Bei diesen Temperaturen , kann als Kältemittel kostengünstiger, einfach zu handhabender flüssiger Stickstoff eingesetzt werden. (Cuprate werden nicht für MRT-Magnete verwendet, da es schwierig und teuer ist, daraus Drähte herzustellen.) Und einige Hersteller stellen stickstoffgekühlte supraleitende Kabel für Übertragungsleitungen her.
Aber Forscher haben lange versucht, Materialien mit noch höheren kritischen Temperaturen zu finden. Der Heilige Gral arbeitet [Supraleiter] bei Raumtemperatur, sagt Physiker Jeffrey Lynn , der Supraleiter am National Institute of Standards and Technology studiert. Supraleitende Stromkabel, MRT-Geräte und Energiespeicher wären billiger und kleiner, wenn sie nicht gekühlt werden müssten.
Die neuen Eisenarsenid-Supraleiter haben gezeigt, dass sie hohe kritische Temperaturen erreichen können. Wissenschaftler des Tokyo Institute of Technology berichteten erstmals in einem Februar-Beitrag in Zeitschrift der American Chemical Society dass ein Lanthan-Eisen-Arsenid-Material bei 26 K supraleitend wird. Seitdem haben chinesische Forscher die kritische Temperatur auf 55 K erhöht. Das ist nicht annähernd so hoch wie die supraleitenden Temperaturen für Kuprate, aber Chien von Johns Hopkins sagt, dass dies neu ist Material zu erforschen, und man hofft, dass wir noch höhere Temperaturen erreichen.
Die chemische Struktur des neuen Materials macht es besonders spannend. Es enthält Oxide von Seltenerdmetallen, die zwischen Schichten aus Eisenarsenid eingeschlossen sind. Die Struktur erlaubt viel Basteln, das die Eigenschaften des Materials optimiert, sagt Lynn. Forscher können beispielsweise Eisen, Arsen oder Seltenerdmetalle durch andere Elemente ersetzen. Tatsächlich haben chinesische Forscher das Lanthan im ursprünglichen japanischen Material durch andere Seltenerdmetalle wie Samarium ersetzt, um die kritische Temperatur über 50 K zu erhöhen. Es gibt viele verschiedene Arten von chemischen Substitutionen, die Sie ausprobieren können, sagt Lynn. Sie sind tatsächlich flexibler als Cuprate.
Die neuen Supraleiter könnten noch einen weiteren entscheidenden Vorteil haben, sagt David Christen, Leiter der Supraleiterforschung am Oak Ridge National Laboratory. Während Cuprat-Stromkabel als speziell entwickelte Flachbänder hergestellt werden müssen, ist es möglicherweise einfacher, Drähte aus Eisenarsenid-Halbleitern herzustellen. Diese Materialien könnten praktischer sein als Cuprate, wenn sich herausstellt, dass sie einfacher und kostengünstiger herzustellen sind, sagt Christen.
Die Forscher hoffen auch, dass Eisenarsenide dazu beitragen werden, das Geheimnis der Funktionsweise von Hochtemperatur-Supraleitern zu lüften. Dies wird der Schlüssel zum Entwerfen von Materialien mit noch höheren kritischen Temperaturen sein. In Supraleitern, die bei sehr niedrigen Temperaturen arbeiten, wie Niob und Blei, bilden Elektronen unterhalb der kritischen Temperatur Paare. Atome oder Defekte im Kristall haben nicht die Energie, die benötigt wird, um das Paar zu brechen und die Elektronen abzulenken. Das Elektronenpaar kreist also ungehindert um das Material herum, wodurch Supraleitung entsteht. Diese Paarungstheorie gilt jedoch nicht für Hochtemperatur-Kupfer-Sauerstoff-Materialien.
In ihrem Natur Chien und seine Kollegen zeigen Beweise dafür, dass die Paarungstheorie für die Eisenarsenid-Supraleiter gelten könnte. Die Elektronenpaarung ist die Seele des Supraleiters, sagt Chien. Wenn die neuen Materialien der [Pairing]-Theorie folgen, dann … werden wir die Materialien etwas leichter verstehen können.
Weitere Beweise aus Experimenten mit vielen verschiedenen Eisenarsenidverbindungen werden benötigt, um die Funktionsweise der Supraleiter zu bestätigen, sagt Pengcheng Dai , Physikprofessor an der University of Tennessee in Knoxville. Die Arbeit von Johns Hopkins sei nur ein Puzzleteil, sagt er. Obwohl sich der Paarungsmechanismus von Eisenarseniden von dem von Kupfer-Sauerstoff-Verbindungen unterscheiden könnte, weisen die beiden Materialien auch Ähnlichkeiten auf. In einem kürzlich erschienenen Online-Papier, ebenfalls veröffentlicht in Natur , Dai und Lynn zeigten, dass die beiden Materialien wichtige magnetische Eigenschaften teilen. Und beide Materialien haben auch einen ähnlichen Schichtaufbau.
Es ist vielleicht noch zu früh, um zu sagen, wie nützlich die Eisenarsenid-Supraleiter sein werden. Dai sagt, dass die Forscher vorerst begeistert sind, das 22-jährige Kupratmonopol gebrochen zu haben und einen neuen Hochtemperatur-Supraleiter zum Spielen zu haben.