Forskare från Ames National Laboratory har identifierat den första okonventionella supraledaren med en kemisk sammansättning som också finns i naturen. Miassit är ett av endast fyra mineraler som finns i naturen som fungerar som en supraledare när de odlas i labbet. Teamets undersökning av miassit visade att det är en okonventionell supraledare med egenskaper som liknar högtemperatursupraledare.

Deras resultat, publicerade i Communications Materials , ytterligare vetenskapsmäns förståelse för denna typ av supraledning, vilket kan leda till mer hållbar och ekonomisk supraledare-baserad teknik i framtiden.

Supraledning är när ett material kan leda elektricitet utan energiförlust. Supraledare har applikationer inklusive medicinska MRI-maskiner, strömkablar och kvantdatorer. Konventionella supraledare är välkända men har låga kritiska temperaturer. Den kritiska temperaturen är den högsta temperaturen vid vilken ett material fungerar som en supraledare.

På 1980-talet upptäckte forskare okonventionella supraledare, av vilka många har mycket högre kritiska temperaturer. Enligt Ruslan Prozorov, en forskare vid Ames Lab, odlas alla dessa material i labbet. Detta faktum har lett till den allmänna uppfattningen att okonventionell supraledning inte är ett naturligt fenomen.

Prozorov förklarade att det är svårt att hitta supraledare i naturen eftersom de flesta supraledande element och föreningar är metaller och tenderar att reagera med andra element, som syre. Han sa att miassiten (Rh₁₇ S₁₅ ) är ett intressant mineral av flera skäl, varav en är dess komplexa kemiska formel. "Intuitivt tror du att det här är något som produceras medvetet under ett fokuserat sökande, och det kan omöjligt existera i naturen", sa Prozorov, "men det visar sig att det gör det."

Paul Canfield, framstående professor i fysik och astronomi vid Iowa State University och en vetenskapsman vid Ames Lab, har expertis inom design, upptäckt, tillväxt och karakterisering av nya kristallina material. Han syntetiserade högkvalitativa miassitkristaller för detta projekt. "Även om miassit är ett mineral som upptäcktes nära Miass-floden i Chelyabinsk Oblast, Ryssland," sa Canfield, "är det ett sällsynt mineral som i allmänhet inte växer som välformade kristaller."

Att odla miassitkristallerna var en del av ett större försök att upptäcka föreningar som kombinerar mycket högsmältande element (som Rh) och flyktiga element (som S). "Tvärtemot naturen hos de rena elementen, har vi bemästrat användningen av blandningar av dessa element som möjliggör lågtemperaturtillväxt av kristaller med minimalt ångtryck," sa Canfield.

"Det är som att hitta ett gömt fiskehål som är fullt av stora feta fiskar. I Rh-S-systemet upptäckte vi tre nya supraledare. Och genom Ruslans detaljerade mätningar upptäckte vi att miassiten är en okonventionell supraledare."

Prozorovs grupp är specialiserad på avancerad teknik för att studera supraledare vid låga temperaturer. Han sa att materialet behövde vara så kallt som 50 millikelvin, vilket är ungefär -460°F.

Prozorovs team använde tre olika tester för att fastställa typen av miassites supraledning. Huvudtestet kallas "London penetrationsdjup". Det bestämmer hur långt ett svagt magnetfält kan penetrera supraledarens bulk från ytan. I en konventionell supraledare är denna längd i princip konstant vid låg temperatur. I okonventionella supraledare varierar det dock linjärt med temperaturen. Detta test visade att miassite beter sig som en okonventionell supraledare.

Ett annat test som teamet utförde var att införa defekter i materialet. Prozorov sa att detta test är en signaturteknik som hans team har använt under det senaste decenniet. Det handlar om att bombardera materialet med högenergielektroner. Denna process slår ut joner från sina positioner, vilket skapar defekter i kristallstrukturen. Denna störning kan orsaka förändringar i materialets kritiska temperatur.

Konventionella supraledare är inte känsliga för icke-magnetisk störning, så detta test skulle visa ingen eller mycket liten förändring i den kritiska temperaturen. Okonventionella supraledare har en hög känslighet för störningar, och införande av defekter förändrar eller undertrycker den kritiska temperaturen. Det påverkar också materialets kritiska magnetfält. I miassite fann teamet att både den kritiska temperaturen och det kritiska magnetfältet uppförde sig som förutspått i okonventionella supraledare.

Att undersöka okonventionella supraledare förbättrar forskarnas förståelse för hur de fungerar. Prozorov förklarade att detta är viktigt eftersom "att avslöja mekanismerna bakom okonventionell supraledning är nyckeln till ekonomiskt sunda tillämpningar av supraledare."

Mer information: Hyunsoo Kim et al, Nodal supraledning i miassit Rh17S15, Kommunikationsmaterial (2024). DOI:10.1038/s43246-024-00456-w

Journalinformation: Kommunikationsmaterial

Tillhandahålls av Ames National Laboratory