Spillvärme finns runt omkring dig. I liten skala, om din telefon eller laptop känns varm, det beror på att en del av energin som driver enheten omvandlas till oönskad värme.

I större skala, elektriska nät, såsom högkraftsledningar, förlorar över 5% av sin energi i överföringsprocessen. I en elkraftsindustri som genererade mer än 400 miljarder dollar 2018, det är en enorm mängd slösade pengar.

Globalt sett Googles datorsystem, Microsoft, Facebook och andra kräver enorma mängder energi för att driva massiva molnservrar och datacenter. Ännu mer energi, för att driva vatten- och luftkylningssystem, krävs för att kompensera värmen som genereras av dessa datorer.

Var kommer denna bortkastade värme ifrån? Elektroner. Dessa elementära partiklar i en atom rör sig runt och interagerar med andra elektroner och atomer. Eftersom de har en elektrisk laddning, när de rör sig genom ett material - som metaller, som lätt kan leda elektricitet - de sprider av andra atomer och alstrar värme.

Superledare är material som hanterar detta problem genom att låta energi flöda effektivt genom dem utan att generera oönskad värme. De har stor potential och många kostnadseffektiva applikationer. De driver magnetiskt svävande tåg, generera magnetfält för MRI -maskiner och har nyligen använts för att bygga kvantdatorer, även om det ännu inte finns ett fullt fungerande.

Men superledare har ett väsentligt problem när det gäller andra praktiska tillämpningar:De fungerar vid ultralåga temperaturer. Det finns inga superledare vid rumstemperatur. Den "rumstemperatur" -delen är vad forskare har arbetat med i mer än ett sekel. Miljarder dollar har finansierat forskning för att lösa detta problem. Forskare runt om i världen, inklusive mig, försöker förstå superledarnas fysik och hur de kan förbättras.

Förstå mekanismen

En superledare är ett material, såsom en ren metall som aluminium eller bly, att när den kyls till ultralåga temperaturer kan elektricitet röra sig genom den med absolut nollmotstånd. Hur ett material blir en superledare på mikroskopisk nivå är ingen enkel fråga. Det tog det vetenskapliga samfundet 45 år att förstå och formulera en framgångsrik teori om supraledning 1956.

Medan fysiker undersökte en förståelse av mekanismerna för supraledning, kemister blandade olika element, såsom det sällsynta metallniobet och tennet, och provade recept guidade av andra experiment för att upptäcka nya och starkare superledare. Det var framsteg, men mestadels inkrementell.

Enkelt uttryckt, supraledning uppstår när två elektroner binder samman vid låga temperaturer. De utgör byggstenen för superledare, Cooper -paret. Grundfysik och kemi berättar att elektroner stöter bort varandra. Detta gäller även för en potentiell superledare som bly när den är över en viss temperatur.

När temperaturen sjunker till en viss punkt, fastän, elektronerna blir mer mottagliga för parning. Istället för att en elektron motsätter sig den andra, ett slags "lim" dyker upp för att hålla ihop dem.

Håller saken sval

Upptäcktes 1911, den första superledaren var kvicksilver (Hg), grundelementet i gammaldags termometrar. För att kvicksilver ska bli en superledare, den måste kylas till extremt låga temperaturer. Kamerlingh Onnes var den första forskare som räknade ut exakt hur man gör det - genom att komprimera och kondensera heliumgas. Under processen, när heliumgas blir en vätska, temperaturen sjunker till -452 grader Fahrenheit.

När Onnes experimenterade med kvicksilver, han upptäckte att när den placerades inuti en flytande heliumbehållare och kyldes till mycket låga temperaturer, dess elektriska motstånd, motsatsen till den elektriska strömmen i materialet, sjönk plötsligt till noll ohm, en måttenhet som beskriver motstånd. Inte nära noll, men exakt noll. Inget motstånd, inget värmeavfall.

Detta innebar att en elektrisk ström, en gång genererat, skulle flöda kontinuerligt utan att stoppa det, åtminstone i labbet. Många supraledande material upptäcktes snart, men praktiska tillämpningar var en annan sak.

Dessa superledare delade ett problem - de behövde kylas ner. Mängden energi som behövs för att kyla ett material till dess supraledande tillstånd var för dyrt för dagliga applikationer. I början av 1980 -talet forskningen om supraledare hade nästan nått sin slutsats.

En överraskande upptäckt

I en dramatisk händelseförändring, en ny typ av superledarmaterial upptäcktes 1987 på IBM i Zürich, Schweiz. Inom månader, superledare som arbetar vid mindre extrema temperaturer syntetiserades globalt. Materialet var ett slags keramik.

Dessa nya keramiska superledare var gjorda av koppar och syre blandat med andra element som lantan, barium och vismut. De motsäger allt fysiker trodde att de visste om att göra supraledare. Forskare hade letat efter mycket bra ledare, men denna keramik var nästan isolatorer, vilket betyder att mycket lite elektrisk ström kan strömma igenom. Magnetismen förstörde konventionella supraledare, men dessa var själva magneter.

Forskare sökte material där elektroner var fria att röra sig, men i dessa material, elektronerna var inlåsta och inneslutna. Forskarna på IBM, Alex Müller och Georg Bednorz, hade faktiskt upptäckt en ny typ av superledare. Dessa var supraledarna vid hög temperatur. Och de spelade efter sina egna regler.

Undvikande lösningar

Forskare har nu en ny utmaning. Tre decennier efter att högtemperaturens superledare upptäcktes, vi kämpar fortfarande för att förstå hur de fungerar på mikroskopisk nivå. Kreativa experiment utförs varje dag på universitet och forskningslaboratorier runt om i världen.

I mitt laboratorium, vi har byggt ett mikroskop som kallas ett skanningstunnelmikroskop som hjälper vårt forskargrupp att "se" elektronerna vid materialets yta. Detta gör att vi kan förstå hur elektroner binder och bildar supraledning i atomskala.

Vi har kommit långt i vår forskning och vet nu att elektroner också kopplas ihop i dessa högtemperatur superledare. Det är stort värde och nytta att svara på hur högtemperatur superledare fungerar eftersom det kan vara vägen till rumsledningens superledning. Om vi ​​lyckas göra en superledare vid rumstemperatur, då kan vi ta itu med de miljarder dollar som det kostar i spillvärme att överföra energi från kraftverk till städer.

Mer anmärkningsvärt, solenergi som skördas i de stora tomma öknarna runt om i världen kan lagras och överföras utan att energiförluster, vilket kan driva städer och dramatiskt minska utsläppen av växthusgaser. Potentialen är svår att föreställa sig. Att hitta limmet för superledare vid rumstemperatur är nästa miljon dollarfråga.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.