Er der en sammenhæng mellem superledning og magnetisme?

Peter Ole Kvint vil gerne vide, om man kan benytte sig af magnetisme i forbindelse med superledere:

"Er der en sammenhæng mellem superledning og magnetisme? Hvis der var, ville det give et håb om superledning ved stuetemperatur, da jern er meget stærkt og billigt?"


Professor Per Hedegård fra Niels Bohr Institutet, der til daglig arbejder med superledning og magnetisme, svarer:

"Der er ikke umiddelbart nogen sammenhæng mellem magnetisme og superledning, så man kan ikke gå ud fra, at et magnetisk materiale er en god superleder. Faktisk er det i nogen grad omvendt:

Hvis et stof bliver magnetisk ved lave temperaturer, så er det ikke samtidigt superledende. Sådan er det for de fleste kendte superledere. Der er dog ikke nogen fysisk lov, der forhindrer, at superledning og magnetisme kan eksistere side om side i et materiale.

Forklaringen på både magnetisme og superledning skal søges i kvanteteorien for elektroner. Uden kvantemekanik ville der ikke findes magneter, og uden kvantemekanik ville der ikke findes superledere. Men bortset herfra er det to vidt forskellige aspekter af kvanteteorien, der forklarer de to fænomener.

Kort om magnetisme: En elektron er i virkeligheden en lille magnet med en nordpol og en sydpol, så da alle materialer består af et kolossalt antal elektroner, har de alle en mulighed for at være magnetiske. Grunden til, at de fleste stoffer ikke er magnetiske, er, at de små elektroniske magneter har deres nordpol pegende i alle mulige forskellige retninger, så den samlede magnetisme udslukkes. Det er Pauli’s udelukkelsesprincip (en grundlov i kvanteteorien), der hjælper de elektroniske magneter i visse stoffer, som for eksempel jern, til at pege i samme retning.

Kort om superledning: Superledning er først og fremmest det totale fravær af elektrisk modstand. Den grundlæggende årsag til elektrisk modstand er, at elektronerne i en strømførende ledning afleverer energi til ledningens atomer, og ledningen opvarmes. Hvis elektroner kobler sig sammen i par, så vil parrene opfylde et omvendt Pauli-princip: Parrene har en ubændig "kvante-trang" til at gøre det samme – de er blevet såkaldte bosoner.

Denne trang er større, jo flere par der allerede har fundet ud af at opføre sig ens. Det har som konsekvens, at hvor en ensom elektron ikke har noget imod at aflevere energi til atomerne, så vil et elektron-par kun meget nødigt aflevere energi, idet det så bliver nødt til at opføre sig anderledes end de andre elektron-par i materialet. Hvis der er tilstrækkelig mange par, der opfører sig ens, så forsvinder muligheden for at aflevere energi, og stoffet er superledende.

Nu er det sådan, at for de elektron-par, der findes i de fleste superledere, peger de to elektroners nordpoler i modsat retning, og superledning og magnetisme udelukker hinanden. Man kan dog godt forestille sig, at elektronerne i parret har nordpoler pegende i samme retning, og for sådanne superledere er magnetisme langtfra udelukket. I praksis er problemet dog, at vi ikke med sikkerhed har opdaget superledere, hvor denne mulighed er realiseret."

Peter Ole Kvint vinder to billetter til Tycho Brahe Planetarium for sit spørgsmål.

Spørg Scientariet er i dag redigeret af Julie M. Callesen, jmc@ing.dk.