Supravodivosť dešifrovaná pri izbovej teplote

Laserový pulz pomáha elektrónom tunelovať, čím umožňuje bezstratové vedenie

Bez rezistencie pri izbovej teplote: Rezonančné excitácia kyslíkových oscilácií (rozmazané) medzi dvojvrstvami Cu02 (svetlo modrá, žltá oranžová, červená) s krátkymi zábleskami svetla spôsobuje prechodný posun atómov v kryštálovej mriežke smerom od ich rovnovážnych polôh. Tento posun znamená, že vzdialenosti medzi rovinami Cu02 sa zväčšujú v dvojitej vrstve a vzdialenosti medzi dvojitými vrstvami sa súčasne zmenšujú. Toto pravdepodobne zvyšuje supravodivosť © MPI pre štruktúru a dynamiku hmoty / Jörg Harms
čítať nahlas

Tok energie bez odporu: Sen o bezstratovom napájaní sa o krok bližšie. Pretože vedci teraz zistili, ako a prečo supravodivosť skutočne funguje pri izbovej teplote. Doteraz to bolo v experimente možné iba na niekoľko miliónov sekúnd mikrosekundy. Nové zistenia by však mohli pomôcť vyvinúť cielené materiály, ktoré môžu trvať dlhšie, ako uvádzajú vedci v časopise Nature.

Supravodiče môžu prepravovať elektrinu bez akéhokoľvek odporu, a teda bezstratového. V niektorých oblastiach sa už používajú, napríklad ako magnety pre tomografy s magnetickou rezonanciou alebo urýchľovače častíc. Materiály však musia byť ochladené na veľmi nízke teploty. Hodnoty tesne nad absolútnou nulou pri mínus 273 stupňov Celzia sú potrebné pre väčšinu kovov, takzvané vysokoteplotné supravodiče vykonávajú bezstratovú elektrinu aj pri teplotách približne mínus 200 stupňov Celzia.

Tunelové páry elektrónov

Jedným z týchto keramických vysokoteplotných supravodičov je oxid ytria, bária a medi (YBCO). Je to jeden z najsľubnejších materiálov pre technické aplikácie, ako sú supravodivé káble, motory a generátory. Dôvodom jeho priaznivých vlastností je štruktúra kryštálu YBCO: tenké dvojité vrstvy oxidu medi sa striedajú s hrubšími medzivrstvami, ktoré okrem medi a kyslíka obsahujú aj bárium.

V dvojvrstvách oxidu meďnatého sa elektróny môžu spojiť a tvoriť takzvané Cooperove páry a „tunel“ medzi rôznymi vrstvami. Môžete nimi prechádzať týmito vrstvami, keď duchovia prechádzajú múrom - typický kvantový efekt. Pod kritickou teplotou sa tieto Cooperove páry tiež tunela cez hrubšie vrstvy k nasledujúcej dvojitej vrstve - materiál sa stáva supravodivý.

Laserový blesk vytvára supravodivosť - pri izbovej teplote

V roku 2013 však experiment priniesol prekvapenie: pomocou krátkych infračervených laserových zábleskov sa vedcom prvýkrát podarilo dosiahnuť, aby sa YBCO stal supravodivým pri izbovej teplote - aj keď iba na niekoľko milióntinách mikrosekundy. Zdá sa, že laserové svetlo zmenilo spojenie medzi dvojvrstvami v kryštáli. Presný mechanizmus však zostal nejasný až doteraz. Pre Romana Mankowského z Inštitútu Maxa Plancka pre štruktúru a dynamiku hmoty v Hamburgu sa jeho kolegom podarilo dešifrovať fyziku za supravodivosťou pri izbovej teplote. zobraziť

V koherentnom svetelnom zdroji Linac sa röntgenové lúče stávajú koherentnými pulzmi - a pomocou nich je možné analyzovať molekuly. LCLS

Za týmto účelom zopakovali experiment so zdrojom Linac Coherent Light Source (LCLS) v Stanforde, najsilnejšom röntgenovom laseri na svete. „Keď nabudúce pošleme do kryštálu infračervený záblesk, vzrušenie určitých atómov vibruje, “ hovorí Mankowsky. „Krátko nato sme poslali krátky röntgenový záblesk, aby sme zmerali presnú kryštálovú štruktúru vzrušeného kryštálu.“

Oddeľovacia vrstva sa stáva tenšou

Výsledok: Infračervený záblesk nielen vibroval atómy, ale tiež posunul ich polohu v kryštáli. V dôsledku toho sa dvojvrstvy oxidu meďnatého krátko stali hrubšími dvoma picometermi - stotinou atómového priemeru, ich poloha bola medzi nimi tenšia o rovnaké množstvo. To zase zvýšilo kvantové spojenie medzi dvojvrstvami natoľko, že sa kryštál stal supravodivý na niekoľko pikosekúnd pri teplote miestnosti.

Toto zistenie potvrdzuje, že supravodivosť pri izbovej teplote je skutočne možná a ako funguje. „Na druhej strane by to mohlo pomôcť výskumníkom materiálov pri vývoji nových supravodičov s vyššími teplotami prechodu, “ hovorí Mankowsky. „K snu o supravodiči, ktorý pracuje pri izbovej teplote a pracuje bez chladenia.“

Doposiaľ supravodivé magnety, motory a káble musia byť pomocou kvapalného dusíka alebo hélia vystavené na extrémne mínus. Ak by sa človek dokázal obísť bez tohto nákladného chladenia, mohlo by to znamenať prielom pre túto technológiu. (Nature, 2014; doi: 10, 1038 / príroda13875)

(Max Planck Society, 04.12.2014 - NPO)