Medicinsk magnetisk resonansavbildning, mikrovågsgeneratorer med hög effekt, supraledande magnetiska energilagringsenheter, och solenoiderna i kärnfusionsreaktorer är mycket olika tekniker som alla kritiskt förlitar sig på förmågan hos superledande material att bära och lagra stora elektriska strömmar i ett kompakt utrymme utan att överhettas eller förlora stora mängder energi.

Trots deras exceptionella egenskaper, de flesta supraledande material ställer sina egna krav, till exempel behovet att svalna till temperaturen för flytande helium för medicinska MRT. Fortfarande, superledare är så effektiva jämfört med vanliga material som koppar att kostnaden för att kyla ner dem med speciella kryogena kretsar är försumbar jämfört med energin som sparas från att omvandlas - och slutligen slösas bort - i form av värme, säger Riccardo Comin, en biträdande professor i fysik.

"När du försöker köra en stor ström genom en konventionell krets som en som är gjord av koppar, det kommer att bli mycket avledning till värme på grund av materialets slutliga elektriska motstånd, "säger han." Och det är energi som bara går vilse. Eftersom superledare kan stödja flödet av elektroner utan avledning som innebär att du kan köra mycket stora strömmar, känd som superströmmar, genom en superledare, utan att superledaren värms upp till höga temperaturer. "

"Du kan injicera en ström i en superledare och sedan bara låta den flöda, "Kommer säger." Sedan, en superledare kan fungera i princip som ett batteri, men istället för att lagra energi som en spänningsskillnad, vilket är vad du har i ett litiumjonbatteri, du lagrar energi i form av en superström. Sedan kan du extrahera och använda den strömmen, och det är samma sak som att dra laddning från ett batteri. "

Det som skiljer en superledare från en konventionell ledare är att, i det senare, du måste tillämpa en potential mellan två olika punkter för att driva en ström genom, men i det förra, du kan bara sätta igång strömmen och sedan ta bort spänningen, lämna systemet som det är, och det kommer att finnas en ihållande ström som strömmar genom materialet.

Comin förklarar vidare:"Du har initierat en motion, eller flöde, av elektroner, som kommer att bestå för evigt, skyddad från spridning av kvantmekanikens lagar. Det är överflödigt i den meningen att elektronflödet inte möter motstånd, eller friktion. Även om du tar bort den ursprungliga källan som skapade det flödet, det kommer att fortsätta oförminskat som i en friktionsfri elektronisk vätska. "

Denna elektroniska superflödighet är ett kvanttillstånd av materia, så det beter sig på ett mycket exotiskt sätt som skiljer sig från klassisk fysik, Säger Comin. Det används redan i många högeffektsapplikationer som kräver stora strömmar eller stora magnetfält.

Eftersom superledare kan upprätthålla mycket stora strömmar, de kan lagra mycket energi i en relativt liten volym. Men även supraledande material kan inte upprätthålla gränslösa elektriska strömmar, och de kan förlora sina speciella egenskaper över en kritisk strömtäthet, som överstiger 10 mega-ampere per kvadratcentimeter för toppmoderna supraledande kablar. Som jämförelse, koppar kan bära en maximal strömtäthet på 500 ampere per kvadratcentimeter, som är densamma som strömtätheten som passerar genom en 100-watts volframkabel.

Även om dessa kritiska strömmar där supraledning stängs av är kända, vad som händer på nanoskala inuti materialet när det närmar sig det kritiska tillståndet är fortfarande okänt, men det kan hålla nyckeln till att konstruera bättre supraledande kablar och enheter, med ännu högre motståndskraft.

Comin var en av tre MIT -forskare som vann ett US Air Force Young Investigator Research Program -bidrag i höst. Treåriga, $ 450, 000 -utdelning kommer att göra det möjligt för Comin att forska om vad som händer med ett särskilt supraledande material, yttrium barium kopparoxid (YBCO) när den drivs med stora strömmar.

"Att studera en superledares elektriska svar när man driver en stor ström genom den är avgörande för att karakterisera supraledande kretsar, men det finns mycket mikroskopisk information om vad som händer inuti materialet som återstår att avslöja, "säger han." Superledarnas nanoskala fysik under driftsförhållanden, nämligen när stora strömmar passerar genom dem, är precis vad vi är intresserade av att belysa. "

"Detta är på sätt och vis en ny riktning där vi inte bara studerar materialet i dess ostörda tillstånd, låt oss säga, bara som en funktion av temperaturen, men utan att applicera någon form av störningar som en ström eller ett fält. Nu går vi in ​​i en riktning där vi studerar vad som händer i material när de drivs under förhållanden med stora strömmar, som ligger mycket nära dem man skulle hitta inuti en enhet eller maskin baserat på dessa supraledande kretsar, "Comin förklarar.

Till skillnad från niob-tennlegeringar som kräver flytande heliumkylning (cirka 4 kelvin) i MR-maskiner, YBCO supraledar vid den något högre temperaturen för flytande kväve. Detta är signifikant eftersom flytande kväve (cirka 77 kelvin, eller -320,4 grader Fahrenheit) är både rikligare och betydligt billigare att använda än helium, Säger Comin.

Men det finns ett annat pris att betala. Jämfört med en konventionell metall eller ledare som koppar, som är seg och lätt formad, YBCO är en spröd keramik som måste gjutas i tvådimensionella lager på en bas som liknar gammaldags kassettinspelningsband.

"Den har en skiktad struktur, så det bildar tvådimensionella atomark som är svagt kopplade mellan dem, och det skiljer sig mycket från hur en konventionell metall skulle se ut, "Comin säger. Comin kommer att studera materialet i sitt laboratorium vid MIT såväl som på National Laboratories medan hög ström appliceras på det runt eller till och med under flytande kvävetemperaturer.

Även om supraledning tar över vid flytande kvävetemperatur, eftersom materialet utsätts för större och större elektriska fält, andra elektroniska tillstånd, eller faser, såsom en laddningsdensitetsvåg, börja konkurrera med supraledning innan den upphör.

"När du börjar försvaga supraledning, andra elektroniska faser börjar vakna och de tävlar om att ta kontroll över materialet, "säger han. Han planerar att utforska hur balansen skiftar mellan den superledande fasen och dessa andra parasitiska faser, eftersom supraledning försvagas vid höga strömmar.

"Börjar dessa (andra faser) ta över eller förblir de vilande?" Frågar Comin. "I ett fall, elektroner vill flöda utan avledning, och i det andra fallet, de sitter fast på plats och kan inte röra sig, som en bil i en trafikstockning. "

Istället för att kunna röra sig fritt som de gör i en superledare, utan förlust, elektroner i en laddningsdensitetsvåg tenderar att sitta i vissa regioner och stanna där.

"Det finns vissa regioner som har fler elektroner, vissa andra regioner som har färre elektroner, så om du försöker visualisera den rumsliga organisationen av dessa elektroner, du ser att det liksom vickar som en våg, "Comin förklarar." Du kan föreställa dig ett landskap av sandkronor på en sanddyn. Vad driver elektronerna att organisera sig till ett överflödigt tillstånd snarare än att bilda dessa statiska, vågliknande mönster är inte riktigt känt och det är vad vi hoppas kunna upptäcka under de kritiska förhållanden där superledaren börjar ge efter för dessa andra konkurrerande tendenser. "

Det slutliga målet med denna forskningsinsats är att belysa hur en ihållande ström, eller överström, flödar runt icke-superledande regioner som är värd för konkurrerande faser, när de senare börjar föröka sig nära kritiska förhållanden.

"I detta projekt, stöds av flygvapnets kontor för vetenskaplig forskning, vi hoppas få nya insikter om nanoskala fysik för dessa supraledande enheter, insikter som kan överföras till framtida superledarteknologi, Säger Comin.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.