Speedster-tekniken som rusar förbi supraledarnas gränser

Okej, jag måste berätta om något som är genuint spännande inom fysikens värld, och jag lovar att jag ska göra det begripligt även om du inte passade upp på kemilektionen.

Supraledare är i princip materialvetenskapens rockstjärnor. När man kyler ner vissa material till otroligt kalla temperaturer (vi pratar kallare än rymdens kyla) händer något magiskt: det elektriska motståndet sjunker till bokstavligen noll. Noll! Det betyder att elektricitet kan flöda genom dem för evigt utan att förlora någon energi. Ingen värme, inget spill, bara ett rent, perfekt flöde.

Normalt sett är elektroner som otåliga förare som försöker tränga sig fram på en tät motorväg. De krockar med atomer, förlorar energi, genererar värme och orsakar generellt sett trafikstockningar. Men i supraledare parar elektronerna ihop sig till något som kallas Cooper-par och börjar röra sig i takt – nästan som en perfekt koreograferad dansgrupp istället för kaotiska enskilda dansare.

Här är problemet

Dessa supraledare har dock en svaghet. Det finns bara en viss mängd elektrisk ström de kan hantera innan allt går åt skogen. Forskare kallar detta för "kritisk ström" – tänk på det som materialets maximala arbetsbelastning innan det börjar kämpa.

I de flesta fall misslyckas inte supraledare på grund av någon grundläggande fysikalisk begränsning. De misslyckas på grund av något som kallas vortexar – små områden där magnetfält smyger sig igenom materialet. När man pressar igenom för mycket ström börjar dessa vortexar röra på sig, vilket skapar friktion och värme, och till slut bryts hela systemet ner.

Det är som att ha en perfekt slät skridskobana, förutom att någon har strött ut ett gäng klibbiga fläckar som saktar ner dig när du rör dig för snabbt.

Den smarta lösningen

Det är här det blir coolt (ordvitsen var avsiktlig).

Ett team vid Max Planck-institutet för materiens struktur och dynamik bestämde sig för att fuska. Istället för att långsamt pressa ström genom supraledaren, sköt de på den med otroligt korta stötar av elektricitet – vi pratar pikosekunder. En pikosekund är en biljondel av en sekund. Som referens innehåller ett ögonblick av en blinkning ungefär 30 biljoner pikosekunder.

Logiken? Vortexar kan bara röra sig så snabbt (tiotals kilometer per sekund), och på en pikosekund rör de sig knappt alls – vi pratar avstånd på bara nanometer. Genom att leverera den elektriska pulsen inom ett så litet tidsfönster kunde forskarna höja strömstyrkan till extrema nivåer innan vortexarna hann ställa till med besvär.

Eryin Wang, huvudförfattaren, beskriver det perfekt: "Vår strategi var att springa ifrån vortex-dynamiken."

Det är som om du skulle kunna springa över ett minfält så snabbt att minorna inte hinner explodera. Tekniskt sett går du fortfarande genom samma farliga utrymme – du ger bara hindren ingen chans att aktiveras.

Två material, två helt olika personligheter

Forskarna testade två olika supraledare för att se hur de skulle reagera på denna "speed-demon"-metod: NbN och YBCO.

NbN bete sig som någon med en mycket tydlig brytpunkt. Den förblev supraledande ända fram till en specifik tröskel – och sedan, plötsligt och dramatiskt, slutade den. Cooper-paren splittrades i princip alla på en gång. Det var ett skarpt, avgörande misslyckande, som ett rep som slutligen brister under för hög spänning.

YBCO å andra sidan uppvisade snarare en långsam nedgång. Dess supraledningsförmåga försvagades gradvis i takt med att strömmen ökade. Detta beror på att YBCO har en mer komplex intern struktur – dess supraledande egenskaper varierar beroende på i vilken riktning man mäter dem, ungefär som hur trä är starkare längs med fibrerna än tvärs över dem.

Varför detta är viktigt

Här är den riktigt häftiga delen: genom att använda dessa ultrasnabba pulser kan forskare nu nå de sanna fundamentala gränserna för supraledning – det de kallar "depairing current" (avparningsström). Detta är den punkt där själva Cooper-paren börjar gå sönder, inte bara där vortexar orsakar problem.

Att förstå detta skulle kunna leda till bättre supraledare för alla typer av applikationer: kraftfullare MR-kameror, snabbare kvantdatorer, mer effektiva kraftledningar och till och med maglev-tåg som svävar på magnetfält.

Vi flyttar inte bara befintliga material till deras gräns – vi upptäcker helt ny fysik som har gömts precis utom räckhåll.

Och ärligt talat? Det är ganska spännande.

Källa: ScienceDaily