Supraledning är väl förstått i så kallade "konventionella" supraledare. Nyare är dock okonventionella supraledare, och det är ännu oklart hur de fungerar.
Ett team från HZDR, tillsammans med kollegor från CEA, Tohoku University i Japan och Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids, har nu förklarat varför ett nytt material fortsätter att vara supraledande även i extremt höga magnetfält – en egenskap som saknas i konventionella supraledare. Fyndet har potential att möjliggöra tidigare otänkbara tekniska tillämpningar. Studien publiceras i Nature Communications .
"Urangitellurid, eller UTe2 för kort sagt, är en högflygare bland supraledande material", säger Dr. Toni Helm från Dresden High Magnetic Field Laboratory (HLD) vid HZDR. "Som upptäcktes 2019 leder föreningen elektricitet utan förlust, dock på ett annat sätt än vad konventionella supraledare gör."
Sedan dess har forskargrupper runt om i världen blivit intresserade av materialet. Detta inkluderar Helms team, som har kommit ett steg närmare att förstå föreningen.
"För att fullt ut uppskatta hypen kring materialet måste vi titta närmare på supraledning", förklarar fysikern. "Det här fenomenet beror på elektronernas rörelse i materialet. Närhelst de kolliderar med atomer förlorar de energi i form av värme. Detta visar sig som elektriskt motstånd. Elektroner kan undvika detta genom att ordna sig i parformationer, så kallade Cooper-par ."
Ett Cooper-par beskriver två elektroner som kombineras vid låga temperaturer för att röra sig genom ett fast ämne utan friktion. De använder sig av atomvibrationerna runt dem som en slags våg som de kan surfa på utan att förlora energi. Dessa atomvibrationer förklarar konventionell supraledning.
"Sedan några år tillbaka har man dock även känt till supraledare där Cooper-par bildas av effekter som ännu inte är helt förstådda", säger fysikern. En möjlig form av okonventionell supraledning är spin-triplett supraledning, som tros utnyttja magnetiska fluktuationer.
"Det finns också metaller där ledningselektronerna kommer samman kollektivt", förklarar Helm. "Tillsammans kan de avskärma materialets magnetism och uppträda som en enda partikel med - för elektroner - en extremt hög massa."
Sådana supraledande material är kända som supraledare med tung fermion. UTe2 , därför kan vara både en spin-triplett och en tung fermion supraledare, som nuvarande experiment antyder. Utöver detta är det tungviktsvärldsmästaren – hittills har inga andra kända supraledare i tung fermion vid liknande eller högre magnetfält. Även detta bekräftades av denna studie.
Supraledning beror på två faktorer:Den kritiska övergångstemperaturen och det kritiska magnetfältet. Om temperaturen sjunker under den kritiska övergångstemperaturen sjunker motståndet till noll och materialet blir supraledande. Externa magnetfält påverkar också supraledning. Om dessa överskrider ett kritiskt värde kollapsar effekten.
"Fysiker har en tumregel för detta", sa Helm. "I många konventionella supraledare är värdet på övergångstemperaturen i Kelvin ungefär en till två gånger värdet av den kritiska magnetfältsstyrkan i tesla. I spin-triplett supraledare är detta förhållande ofta mycket högre."
Med sina studier på tungviktaren UTe2 , har forskarna nu kunnat höja ribban ännu högre:Vid en övergångstemperatur på 1,6 kelvin (–271,55°C) når den kritiska magnetfältstyrkan 73 tesla, vilket sätter förhållandet till 45 – vilket är rekord.
"Fram till nu var supraledare med tung fermion av lite intresse för tekniska tillämpningar", förklarar fysikern. "De har en mycket låg övergångstemperatur och ansträngningen som krävs för att kyla dem är jämförelsevis hög."
Ändå skulle deras okänslighet för externa magnetfält kunna kompensera för denna brist. Detta beror på att förlustfri strömtransport idag främst används i supraledande magneter, till exempel i magnetisk resonansavbildning (MRI) skannrar. Men magnetfälten påverkar också själva supraledaren.
Ett material som tål mycket höga magnetfält och som ändå leder elektricitet utan förlust skulle vara ett stort steg framåt.
"Självklart, UTe2 kan inte användas för att tillverka ledningar till en supraledande elektromagnet, säger Helm. "För det första gör materialets egenskaper det olämpligt för denna strävan, och för det andra är det radioaktivt. Men den är perfekt lämpad för utforskningen av fysiken bakom spin-triplett supraledning."
Baserat på sina experiment utvecklade forskarna en modell som skulle kunna fungera som en förklaring till supraledning med extremt hög stabilitet mot magnetfält. För att göra detta arbetade de på prover med en tjocklek på några mikrometer – bara en bråkdel av tjockleken på ett människohår (ungefär 70 mikrometer). Den radioaktiva strålningen som sänds ut av proverna förblir därför mycket lägre än den från den naturliga bakgrunden.
För att erhålla och forma ett så litet prov använde Helm en högprecision jonstråle med en diameter på bara några nanometer som skärverktyg. UTe2 är ett luftkänsligt material. Följaktligen utför Helm provberedningen i vakuum och försluter dem i epoxidlim efteråt.
"För det sista beviset på att vårt material är en spin-triplett supraledare, skulle vi behöva undersöka det spektroskopiskt medan det utsätts för starka magnetfält. Men nuvarande spektroskopimetoder kämpar fortfarande med magnetfält över 40 tesla. Tillsammans med andra team har vi arbetar också med att utveckla nya tekniker. Så småningom kommer detta att göra det möjligt för oss att ge definitiva bevis, säger Helm.
Mer information: Toni Helm et al, Fältinducerad kompensation av magnetiskt utbyte som det möjliga ursprunget för återinträdande supraledning i UTe2 , Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44183-1
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Helmholtz Association of German Research Centers
