Supraledare - underbara material vars motstånd sjunker till noll under en kritisk temperatur - visar mycket lovande att möta den växande energiefterfrågan från den globala befolkningen. Med potentiella tillämpningar inom magnetisk resonanstomografi, kärnmagnetisk resonans, magnetisk läkemedelstillförsel, felströmsbegränsare, transport (Maglev-tåg) och kablar, finns det mycket motivation för att upptäcka och utveckla högtemperatursupraledare.

I detta avseende magnesiumdiborid (MgB₂ ), en högtemperatursupraledare, har fått mycket uppmärksamhet på grund av sin låga kostnad, låga vikt och lätta att tillverka. Det påstås att MgB₂ har potential att ersätta konventionella niobbaserade supraledare i praktiska tekniska tillämpningar. Men bulk MgB₂ lider av det långvariga problemet med en otillräcklig kritisk strömtäthet (strömtätheten över vilken den inte längre är supraledande) vid höga magnetfält. Detta i sin tur begränsar i hög grad dess storskaliga tillämpningar.

För att lösa detta problem har forskare försökt lägga till externa element i kontrollerade mängder, en process som kallas "dopning", under syntesen av bulk MgB₂ , med liten eller ingen framgång. Som Prof. Muralidhar Miryala från Shibaura Institute of Technology (SIT), Japan säger, "Hittills har forskare försökt att förbättra den kritiska strömtätheten för bulk MgB₂ genom dopning med kiselkarbid, andra kolkällor, silver, övergångsmetaller etc. Dock ytterligare förbättring av den kritiska strömtätheten för MgB₂ är avgörande för flera industriella tillämpningar."

Allt hopp är dock inte ute. Prof. Miryalas team lyckades visa att sintring av MgB₂ vid cirka 800°C under 3 timmar i en argonmiljö kan leda till en överlägsen supraledande prestanda. Detta var kopplat till bildandet av en optimal mikrostruktur vid sådana processförhållanden, vilket visade sig spela en viktig roll i supraledningsförmågan hos MgB₂ .

I en ny studie publicerad först den 7 juli 2022, i Advanced Engineering Materials , gjorde Prof. Miryalas team ytterligare ett genombrott. De fann att en kombination av optimala sintringsförhållanden med kontrollerad tillsats av nanometerstort amorft bor och dysprosiumoxid (Dy₂ O₃ ) förbättrade den kritiska strömtätheten för högt fält (J_c ) av MgB₂ såväl som dess självfält. I studien ingick prof. M.S. Ramachandra Rao från Indian Institute of Technology Madras (IITM), Indien, som gav stöd för det globala projektbaserade lärandeprogrammet (gPBL) vid IITM, och bidrag från K. Kitamoto, A. Sai Srikanth och M. Masato från SIT, D Dhruba från IITM.

Vad var anmärkningsvärt med Dy₂ O₃ som dopningsmedel var att det nästan inte hade någon effekt på den supraledande övergångstemperaturen för MgB₂ (som förblev stabil vid cirka 38 K).

Dessutom Dy₂ O₃ tillägg ledde till bildandet av DyB₄ nanopartiklar, vilket förbättrar ytterligare flödesfastsättning vid MgB₂ nanokorngränser. Vidare hjälpte användningen av nanoborprekursor till att skapa MgB₂ nanokorn med exceptionell korngränsflödesstiftning. Som ett resultat uppnåddes en överlägsen kritisk strömtäthet.

Med hjälp av amorft nanobor som startingrediens kvantifierade teamet den exakta mängden Dy₂ O₃ som behövde läggas till för att förbättra J_c avsevärt i bulk MgB₂ supraledare. Genom att analysera strukturen och sammansättningen med tekniker som röntgendiffraktion och Ramanspektroskopi, och de supraledande egenskaperna hos dopad bulk MgB₂ , hittade de den perfekta Dy₂ O₃ dopingintervallet till 0,5-1,5 %.

Med dessa resultat är teamet entusiastiska över framtidsutsikterna för MgB₂ . "Dessa resultat visar potentialen hos Dy₂ O₃ dopning tillsammans med nanoborprekursorer för att realisera bulk MgB₂ för praktiska supraledande tillämpningar", säger Prof. Miryala. "Vår forskning kompletterar den befintliga litteraturen om sätt att förbättra J_c och kan bana väg för verkliga bulksuperledare, som är en ledstjärna för hållbar teknik." + Utforska vidare

Ny raffineringsteknik gör billigare supraledare till verklighet