værd at vide

Superledning ved stuetemperatur

Superledning ved 15 °C er opnået i et materiale bestående af hydrogen, kulstof og svovl ved et tryk på 267 GPa eller 2,6 mio. gange det normale atmosfæriske tryk. Det høje tryk er opnået ved brug af en diamant-­ambolt. Illustration: J. Adam Fenster,University of Rochester

Det var lidt af en sensation, da hviderusseren Mikhail Eremets fra Max-Planck-Institut für Chemie i Mainz, Tyskland, i 2015 berettede om superledning i et materiale bestående af hydrogen og svovl (H3S) ved 203 kelvin – udsat for et enormt tryk på ca. 200 gigapascal eller to millioner gange så højt som sædvanligt atmosfærisk tryk. Dette kunne nemlig, som jeg skrev dengang, måske vise en vej til materialer, som er superledende ved forholdsvist høje temperaturer og ved sædvanligt tryk. Et sådant materiale vil kunne finde et utal af anvendelser. Når man i dag skal have meget kraftige magnetfelter f.eks. i LHC-ringen ved Cern eller inden for fusionsforskning som ved Iter, benytter man superledende materialer, der skal afkøles til under 4 K med brug af flydende helium. Det er både dyrt og besværligt.

En superleder ved stuetemperatur vil være meget mere anvendelig f.eks. til energioverførsel over store afstande uden elektrisk tab. Konventionel superledning blev opdaget i 1911 og i 1957 forklaret teoretisk af John Bardeen, Leon Cooper og Robert Schrieffer med det, som nu kaldes BCS-teorien, hvor elektroner optræder parvist, når materialet er superledende. Langt op i 1960’erne var fysikerne overbeviste om, at superledning var begrænset til temperaturer under 30 kelvin. Denne formodning blev understøttet af en opdagelse i 1973, der viste, at niobium-germanium (Nb3Ge) var superledende op til 23,2 K – hvilket var en ny verdensrekord. I 1986 fandt Georg Bednorz og K. Alex Müller fra IBM’s forskningslaboratorium i Zürich i Schweiz dog et keramisk materiale (La2−xBaxCuO4), der var superledende ved 30 K. Rekorden for denne type af keramiske materialer, hvor superledning ikke forklares med BCS-teorien, men stadig er lidt af et mysterium, ligger i dag omkring 133 K. Selv om det betyder, at de kan afkøles med flydende nitrogen, er det alligevel en forhindring for en mere udbredt anvendelse.

Men allerede i 1968 blev det teoretisk forudsagt af den russiske fysiker Vitalij Ginsburg og den britiske fysiker Neil Ashcroft, at konventionel BCS-superledning burde kunne opnås ved langt højere temperaturer i eksempelvis metallisk hydrogen. En sådan tilstand eksisterer dog kun under meget høje tryk, så det vakte ikke den helt store opmærksomhed. Mikhail Eremets, der har arbejdet med højtryksfysik, siden han færdiggjorde sin ph.d. i Moskva i 1978, var dog af en anden opfattelse. Efter han i 2001 kom til Max Planck-instituttet i Tyskland, satte han sig for for alvor at undersøge superledning i hydrogenbasererede materialer under enorme tryk. Andre forskere har siden og ikke mindst efter hans artikel fra 2015 taget emnet op, og på University of Rochester i USA har den srilankanske fysiker Ranga Dias’ forskningsgruppe nu forbedret Eremets’ temperaturrekord til 287 K – eller 15 °C – i et materiale bestående af hydrogen (H), kulstof (C) og svovl (S) ved et tryk på 267 GPa. Denne temperatur er lidt under det, man sædvanligvis betegner som stuetemperatur – International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) har faktisk fastlagt den til at være præcis 25 °C – men det er nu ganske tæt på.

Det høje tryk gør det selvfølgelig helt urealistisk at bruge dette materiale i praksis. Forskerne ved tilmed ikke engang, hvordan fordelingen af H, C og S er under det høje tryk. Ved lavere tryk omkring 4 GPa formoder de dog, at materialet kan karakteriseres som værende (H2S)(CH4)H2 eller en variant heraf. Det er ikke let at bestemme den nøjagtige sammensætning, skriver de i deres videnskabelige artikel i Nature, hvor de offentliggør rekorden, men de har ideer til, hvordan det burde blive muligt i fremtiden.

Det afgørende for rekorden er, at materialet består af tre forskellige grundstoffer, forklarer Ranga Dias. Han mener, at dette kan være nøglen til også at opnå superledning ved meget høje temperaturer, omend måske ikke helt ved stuetemperatur under normalt tryk. I artiklen peger Dias på, at nøglen kan være at styre materialesammensætningen under lavt tryk, så materialet forbliver stabilt eller metastabilt, når trykket fjernes igen. Andre spekulerer i, at man måske skal inkorporere et fjerde grundstof. Problemet er dog, at man ingen teorier har, der kan pege i den rigtige retning. Derfor bliver det trial and error, og det kan være en langsommelig proces. Eremets vurderer da også, at vi nok i første omgang vil se superledning ved endnu højere temperatur – måske over 400 K – ved meget høje tryk frem for superledning ved stuetemperatur uden tryk. Men Dias og co. har i det mindste givet nyt håb til drømmen om en praktisk anvendelig superleder ved stuetemperatur. Så nu kan eksperimenterne fortsætte, og teoretikerne har fået en opgave, der er værd at tackle.

Emner : Værd at vide