År 1911, fysikern Heike Kamerlingh Onnes syftade till att sänka kvicksilverens temperatur till så nära absolut noll som möjligt. Han hoppades kunna vinna en oenighet med Lord Kelvin, som trodde att metaller helt skulle sluta leda elektricitet vid extremt låga temperaturer. Noggrant manipulera en uppsättning glasrör, Kamerlingh Onnes och hans team sänkte kvicksilverens temperatur till 3 K (-454 F). Plötsligt, kvicksilvret ledde elektricitet med noll motstånd. Kamerlingh Onnes hade just upptäckt supraledning.

Detta enda fynd ledde till en världsomspännande undersökning som sträckte sig över ett sekel. Även om det löste en vetenskaplig debatt, det skapade många fler. Department of Energy's Office of Science och dess föregångare har tillbringat årtionden för att stödja forskare för att undersöka mysteriet om varför supraledning uppstår under olika omständigheter.

Svaret på denna fråga har stora möjligheter för vetenskaplig och teknisk utveckling. Ungefär sex procent av all el som distribueras i USA går förlorad i överföring och distribution. Eftersom superledare inte tappar ström när de leder elektricitet, de kan möjliggöra extremt effektiva elnät och otroligt snabba datorchips. Att linda dem till spolar producerar magnetfält som kan användas för högeffektiva generatorer och höghastighetsmagnetiska svävningståg. Tyvärr, tekniska utmaningar med både traditionella och "hög temperatur" superledare begränsar deras användning.

"I den mån Tesla och Edison introducerade användningen av el revolutionerade vårt samhälle, omgivande supraledning skulle revolutionera den igen, "sade J.C. Séamus Davis, en fysiker som arbetar med Center for Emergent Superconductivity, ett DOE Energy Frontier Research Center.

Superledningens hur och varför

Kamerlingh Onnes upptäckt satte igång en flod av aktivitet. Trots hans stora visioner, det mesta av vad forskare hittade förstärkte bara superledares begränsningar.

Ett av de första stora genombrotten kom nästan ett halvt sekel efter Kamerlingh Onnes första fynd. Medan de flesta forskare trodde att supraledning och magnetism inte kunde samexistera, Alexei A. Abrikosov föreslog "Typ II" superledare som tål magnetfält 1952. Abrikosov fortsatte sin forskning vid DOE:s Argonne National Laboratory (ANL) och vann senare Nobelpriset i fysik för sina bidrag.

Nästa stora språng kom 1957, när John Bardeen, Leon Cooper, och John Robert Schrieffer föreslog den första teorin om varför supraledning uppstår. Deras teori, möjliggjord av stöd från DOE:s föregångare, Atomenergikommissionen, fick dem också Nobelpriset i fysik.

Deras teori kontrasterar hur vissa metaller fungerar under normala förhållanden med hur de agerar vid extremt låga temperaturer. I vanliga fall, atomer packas ihop i metaller, bildar vanliga galler. Liknar ekrar och stavar av Tinkertoys, metallernas positivt laddade joner är bundna till varandra. I kontrast, negativt laddade fria elektroner (elektroner som inte är bundna till en jon) rör sig oberoende genom gallret.

Men vid extremt låga temperaturer, förhållandet mellan elektronerna och det omgivande gallret förändras. En vanlig uppfattning är att elektronernas negativa laddningar svagt lockar till sig positiva joner. Som någon som drar i mitten av ett gummiband, denna svaga attraktion drar något positiva joner ur sin plats i gallret. Även om den ursprungliga elektronen redan har passerat, de nu förskjutna positiva jonerna lockar sedan något andra elektroner. På nära absolut noll, dragning från de positiva jonerna får elektroner att följa vägen för dem framför dem. Istället för att resa självständigt, de parar sig i par. Dessa par flyter lätt genom metall utan motstånd, orsakar supraledning.

Upptäck helt nya supraledare

Tyvärr, alla superledare som forskare funnit fungerade bara nära absolut noll, den kallaste teoretiskt möjliga temperaturen.

Men 1986, Georg Bednorz och K. Alex Müller på IBM upptäckte kopparbaserade material som blir supraledande vid 35 K (-396 F). Andra forskare ökade dessa materials supraledande temperatur till nära 150 K (-190 F), gör det möjligt för forskare att använda ganska vanligt flytande kväve för att kyla dem.

Under det senaste årtiondet, forskare i Japan och Tyskland upptäckte ytterligare två kategorier av högtemperatur superledare. Järnbaserade superledare finns i liknande förhållanden som kopparbaserade, medan vätebaserade bara existerar vid tryck mer än en miljon gånger så mycket som jordens atmosfär.

Men interaktioner mellan elektronpar och joner i metallgitteret som Bardeen, Tunnbindare, och Schrieffer som beskrivs kunde inte förklara vad som hände i koppar- och järnbaserade högtemperatur-superledare.

"Vi kastades i ett problem, "sa Peter Johnson, en fysiker vid Brookhaven National Laboratory (BNL) och chef för dess Center for Emergent Superconductivity. "Dessa nya material utmanade alla våra befintliga idéer om var vi ska leta efter nya superledare."

Förutom att vara vetenskapligt spännande, denna gåta öppnade upp ett nytt område av potentiella applikationer. Tyvärr, industrin kan bara använda "högtemperatur" superledare för högspecialiserade applikationer. De är fortfarande för komplexa och dyra att använda i vardagliga situationer. Dock, ta reda på vad som skiljer dem från traditionella kan vara avgörande för att utveckla superledare som arbetar vid rumstemperatur. Eftersom de inte skulle kräva kylutrustning och kunde vara lättare att arbeta med, superledare vid rumstemperatur kan vara billigare och mer praktiska än de som finns idag.

En delad egenskap

Flera uppsättningar experiment som stöds av Office of Science får oss närmare att ta reda på vad, om något, högtemperatur superledare har gemensamt. Bevis tyder på att magnetiska interaktioner mellan elektroner kan vara avgörande för varför högtemperatur supraledning uppstår.

Alla elektroner har ett snurr, skapa två magnetiska poler. Som ett resultat, elektroner kan fungera som små kylskåpsmagneter. Under normala förhållanden, dessa poler är inte orienterade på ett visst sätt och interagerar inte. Dock, koppar- och järnbaserade supraledare är olika. I dessa material, snurren på intilliggande järnplatser har nord- och sydpoler som alternerar riktningar - orienterade norr, söder, norr, söder och så vidare.

Ett projekt som stöds av Center for Emergent Superconductivity undersökte hur ordningen av dessa magnetpoler påverkade deras interaktioner. Forskare teoretiserade att eftersom magnetiska poler redan pekade i motsatta riktningar, det skulle vara lättare än vanligt för elektroner att para ihop sig. För att testa denna teori, de korrelerade både styrkan hos bindningar mellan elektroner (elektronparens styrka) och riktningen för deras magnetism. Med denna teknik, de gav betydande experimentella bevis på sambandet mellan supraledning och magnetiska interaktioner.

Andra experiment på ett antal DOE:s nationella laboratorier har ytterligare förstärkt denna teori. Dessa observationer uppfyllde forskarnas förväntningar på vad som skulle hända om supraledning och magnetism är kopplade.

Forskare vid ANL observerade att en järnbaserad superledare går igenom flera faser innan de når ett supraledande tillstånd. När forskare svalnade materialet, järnatomer gick från en kvadratisk struktur till en rektangulär och sedan tillbaka till en kvadratisk. Längs vägen, det skedde en stor förändring i elektronernas magnetpoler. Medan de ursprungligen var slumpmässiga, de antog en specifik ordning precis innan de nådde supraledning.

Vid DOE:s Ames Laboratory, forskare fann att tillsats eller avlägsnande av elektroner från ett järnbaserat supraledande material förändrade riktningen i vilken el flödade lättare. Forskare vid BNL observerade att supraledning och magnetism inte bara existerar samtidigt, men faktiskt fluktuerar tillsammans i ett vanligt mönster.

Tyvärr, elektroninteraktionernas komplexa karaktär gör det svårt att precisera exakt vilken roll de spelar för supraledning.

Forskning vid BNL fann att när forskare kylde ett järnbaserat material, elektronspinnens riktningar och deras förhållande till varandra förändrades snabbt. Elektronerna bytte partner precis innan materialet blev supraledande. Liknande, forskning vid ANL har visat att elektroner i järnbaserade superledare producerar "vågor" av magnetism. Eftersom några av de magnetiska vågorna avbryter varandra, endast hälften av atomerna visar magnetism vid varje tillfälle.

Dessa fynd ger ny inblick i varför superledare beter sig som de gör. Forskning har besvarat många frågor om dem, bara för att ta upp nya. Medan laboratorier har kommit långt från Kamerlingh Onnes handblåsta utrustning, forskare fortsätter att debattera många aspekter av dessa unika material.