Forskare vid North Carolina State University har avsevärt ökat temperaturen vid vilken kolbaserade material fungerar som supraledare, med hjälp av en roman, borodopat Q-kolmaterial.

Det tidigare rekordet för supraledning i bordopad diamant var 11 Kelvin, eller minus 439,60 grader Fahrenheit. Det bordopade Q-kolet har visat sig vara supraledande från 37K till 57K, vilket är minus 356,80 grader F.

"Att gå från 11K till 57K är ett stort hopp för konventionell BCS supraledning, " säger Jay Narayan, John C. Fan Distinguished Chair Professor of Materials Science and Engineering vid NC State och senior författare till två artiklar som beskriver arbetet. BCS hänvisar till Bardeen-Cooper-Schrieffers teori om supraledning.

Vanligt ledande material leder elektricitet, men mycket av den energin går förlorad under överföringen. Supraledare kan hantera mycket högre strömmar per kvadratcentimeter och förlorar praktiskt taget ingen energi genom överföring. Dock, supraledare har endast dessa önskvärda egenskaper vid låga temperaturer. Att identifiera sätt att uppnå supraledning vid högre temperaturer - utan att applicera högt tryck - är ett aktivt område av materialforskning.

För att göra det bordopade Q-kolet, forskarna belägger ett substrat med en blandning av amorft kol och bor. Blandningen träffas sedan med en enda laserpuls som bara varar i några nanosekunder. Under denna puls, kolets temperatur höjs till 4, 000 Kelvin och sedan snabbt släckt.

"Genom att införliva bor i Q-kolet eliminerar vi materialets ferromagnetiska egenskaper och ger det supraledande egenskaper, " Narayan säger. "Än så länge, varje gång vi har ökat mängden bor, temperaturen vid vilken materialet bibehåller sina supraledande egenskaper har ökat.

"Denna process ökar tätheten av bärartillstånd nära Fermi-nivån, "i förhållande till bordopad diamant, säger Narayan.

"Materialens framsteg här är att denna process tillåter en borkoncentration i ett kolmaterial som är mycket högre än vad som skulle vara möjligt med befintliga jämviktsmetoder, såsom kemisk ångavsättning, " Narayan säger. "Med hjälp av jämviktsmetoder, du kan bara införliva bor i Q-kol till 2 atomprocent - två av 100 atomer. Med hjälp av vår laserbaserade, icke-jämviktsprocess, vi har nått nivåer så höga som 27 atomprocent."

Den högre koncentrationen av bor är det som ger materialet dess supraledningsegenskaper vid en högre temperatur.

"Oak Ridge National Laboratory har bekräftat våra fynd om högre densitet av tillstånd med hjälp av elektronenergiförlustspektroskopi, " säger Narayan.

"Vi planerar att optimera materialet för att öka temperaturen vid vilken det är supraledande, " Narayan säger. "Detta genombrott i högtemperatursupraledning av Q-kol är vetenskapligt spännande med en väg till rumstemperatursupraledning i nya starkt bundna, lätta material. Superledningsförmågan i Q-carbon har speciell betydelse för praktiska tillämpningar, eftersom det är transparent, superhårt och tufft, biokompatibel, erosions- och korrosionsbeständig. Inget sådant finns idag.

"Det finns redan heliumkylsystem med sluten cykel designade för användning med supraledare som lätt kan uppnå temperaturer så låga som 10K, " Narayan säger. "B-dopad Q-kol kan hantera så mycket som 43 miljoner ampere per kvadratcentimeter vid 21K i närvaro av ett magnetfält på två Tesla. Eftersom vi har visat supraledning vid 57K, Detta betyder att det dopade Q-kolet redan är lönsamt för applikationer."

Den senaste tidningen, "En ny högtemperatur kolbaserad supraledare:B-dopad Q-Carbon, " publiceras i Journal of Applied Physics . En tidigare tidning, "Högtemperatursupraledningsförmåga i Boron-dopad Q-Carbon, " publiceras i tidskriften ACS Nano .