Nu höjs temperaturen för supraledarna

Forskare vid Linköpings universitet har genom ett antal teoretiska beräkningar visat att magnesiumdiborid blir supraledande vid en högre temperatur när det töjs ut. Upptäckten är ett stort steg mot att hitta praktiskt användbara supraledande material.

–Magnesiumdiborid, MgB2 är ett intressant material. Det är ett hårt material som används bland annat vid tillverkning av flygplan och i grunden blir det supraledande vid en förhållandevis hög temperatur, 39 K, eller -234 C°, säger Erik Johansson, nybliven tekn doktor vid Avdelningen för teoretisk fysik.

Han är också huvudförfattare till en uppmärksammad artikel publicerad i Journal of Applied Physics. Resultatet har även plockats upp av redaktören som extra betydelsefullt för framtiden.

–Magnesiumdiborid har en okomplicerad struktur vilket gör att beräkningarna i superdatorerna här vid Nationellt Superdatorcentrum i Linköping kan fokusera på komplexa fenomen, som supraledning, säger han.

Tillgången till förnyelsebar energi är en grundplåt för en hållbar värld, men även den förnyelsebara energin försvinner i form av förluster vid överföringen i elnäten. Förlusterna beror på att även material som är goda ledare bjuder ett visst motstånd som ger förluster i form av värme. Därför forskas det runtom i världen på att hitta material som är supraledande, det vill säga material som leder ström helt utan förluster. Sådana material finns, men supraledningen uppstår främst väldigt nära den absoluta nollpunkten, 0 K eller -273,15 °C. Många års forskning har resulterat i nya komplicerade material med en kritisk temperatur som högst ligger på kanske 200 K, det vill säga -73 °C. Vid temperaturer under den kritiska temperaturen blir materialen supraledande. Forskning har också visat att supraledning kan uppnås i vissa metalliska material vid extremt högt tryck.

Lyckas forskarna höja den kritiska temperaturen innebär det större möjligheter att kunna använda fenomenet supraledning i praktiken.

–Det stora målet är att hitta ett material som är supraledande vid normalt tryck och vid rumstemperatur. Det fina med vår studie är att vi visar ett smart sätt att höja den kritiska temperaturen utan att behöva använda ofantligt högt tryck, och utan att använda komplicerade strukturer eller känsliga material. Magnesiumdiborid beter sig tvärt emot många andra material där högt tryck ökar förmågan till supraledning, här kan vi i stället tänja på materialet några procent och få en kraftig ökning av den kritiska temperaturen, säger Erik Johansson.

I nanoskalan vibrerar atomerna även i riktigt hårda och solida material. I forskarnas beräkningar av magnesiumdiborid visar det sig att när materialet töjs, dras atomerna isär och vibrationernas frekvens ändras. I det här materialet innebär det att den kritiska temperaturen ökar - i något fall från 39 K till 77 K. Utsätts magnesiumdiborid i stället för ett högt tryck minskas supraledningsförmågan.

Upptäckten av fenomenet banar nu väg för att beräkna och testa andra liknande material eller materialkombinationer som kan höja den kritiska temperaturen ytterligare.

–En möjlighet kan vara att blanda magnesiumdiborid med en annan metall-diborid och på så vis skapa en nanolabyrint av uttänjt MgB2 med hög supraledande temperatur, säger Björn Alling, docent och universitetslektor vid Avdelningen teoretisk fysik och föreståndare för Nationellt Superdatorcentrum vid Linköpings universitet.

Forskningen har finansierats via bland annat anslag från Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, Vetenskapsrådet och Stiftelsen för Strategisk Forskning. Den har bedrivits med stöd från regeringens strategiska satsning på Avancerade funktionella material, AFM, vid LiU.

Artikeln:

The effect of strain and pressure on the electron-phonon coupling and superconductivity in MgB2—Benchmark of theoretical methodologies and outlook for nanostructure design, Erik Johansson, Ferenc Tasnádi, Annop Ektarawong, Johanna Rosén, and Björn Alling. Applied Physics 131, 063902 (2022); doi: 10.1063/5.0078765

Kontakt: Björn Alling, bjorn.alling@liu.se +46 73 589 03 32