Speedster-teknikken som knuser grensene for superledere

Greit, jeg må fortelle dere om noe som er genuint spennende innen fysikk, og jeg lover at jeg skal gjøre det forståelig selv om du ikke fulgte med i kjemitimen.

Superledere er i bunn og grunn rockestjernene innen materialvitenskap. Når du kjøler ned visse materialer til ekstremt lave temperaturer (vi snakker kaldere enn det er i verdensrommet), skjer det noe magisk: den elektriske motstanden faller til bokstavelig talt null. Null! Det betyr at elektrisitet kan strømme gjennom dem for alltid uten å miste energi. Ingen varme, ingen svinn, bare en ren og perfekt strøm.

Normalt er elektroner som utålmodige bilister som prøver å presse seg gjennom en overfylt motorvei. De kolliderer med atomer, mister energi, genererer varme og skaper generelt trafikkork. Men i superledere danner elektronene par, kalt Cooper-par, og begynner å bevege seg i takt – nesten som en perfekt koreografert dansegruppe i stedet for kaotiske enkeltdansere.

Her er problemet

Disse superlederne har imidlertid en svakhet. Det er bare en viss mengde elektrisk strøm de kan håndtere før ting går av skåret. Forskere kaller dette den "kritiske strømstyrken" – tenk på det som materialets maksimale arbeidsbelastning før det begynner å slite.

I de fleste tilfeller feiler ikke superledere på grunn av en fundamental fysisk grense. De feiler på grunn av noe som kalles virvler (vortices) – små områder der magnetfelt sniker seg gjennom materialet. Når du presser for mye strøm gjennom, begynner disse virvlene å bevege seg, noe som skaper friksjon og varme, og til slutt bryter hele systemet sammen.

Det er som å ha en perfekt glatt skøytebane, bortsett fra at noen har strødd ut en haug med klebrige flekker som bremser deg når du beveger deg for fort.

Den smarte løsningen

Det er her det blir kult (ordspillet er bevisst).

Et team ved Max Planck-instituttet for struktur og dynamikk i materie bestemte seg for å "jukse". I stedet for å dytte strømmen sakte gjennom superlederen, traff de den med ekstremt korte strømbølger – vi snakker pikosekunder. Et pikosekund er en billiondel av et sekund. Til sammenligning inneholder et blunk med øyet omtrent 30 billioner pikosekunder.

Logikken? Virvler kan bare bevege seg så fort (tiår med kilometer per sekund), og i løpet av et pikosekund flytter de seg knapt – vi snakker avstander på bare nanometer. Ved å levere den elektriske impulsen i et så lite tidsvindu, kunne forskerne øke strømstyrken til ekstreme nivåer før virvlene rakk å skape problemer.

Eryin Wang, hovedforfatteren, beskriver det perfekt: "Vår strategi var å løpe fra virvel-dynamikken."

Det er som om du kunne spurt over et minefelt så raskt at minene ikke rekker å eksplodere. Du går teknisk sett fortsatt gjennom det samme farlige området – du gir bare hindringene mindre sjanse til å aktiveres.

To materialer, to helt forskjellige personligheter

Forskerne testet to forskjellige superledere for å se hvordan de ville reagere på denne "speedster"-tilnærmingen: NbN og YBCO.

NbN oppførte seg som noen med et veldig tydelig bristepunkt. Den forble superledende helt opp til en spesifikk terskel – og så plutselig, dramatisk, sluttet den. Cooper-parene ble i praksis knust på én gang. Det var et skarpt og bestemt sammenbrudd, som et tau som til slutt ryker under for mye spenning.

YBCO, på den andre siden, hadde en mer gradvis nedgang. Superlederegenskapene ble gradvis svakere etter hvert som strømstyrken økte. Dette er fordi YBCO har en mer kompleks indre struktur – de superledende egenskapene varierer avhengig av hvilken retning du måler dem i, litt som hvordan treverk er sterkere langs årringene enn på tvers av dem.

Hvorfor dette betyr noe

Her er den virkelig kule delen: Ved å bruke disse ultrafaste impulsene kan forskere nå få tilgang til de egentlige fundamentale grensene for superledning – det de kaller "depairing current" (parbruddstrøm). Dette er punktet der selve Cooper-parene begynner å gå i oppløsning, ikke bare der virvler skaper problemer.

Å forstå dette kan føre til bedre superledere for alle typer anvendelser: kraftigere MR-maskiner, raskere kvantedatamaskiner, mer effektive kraftlinjer og til og med maglev-tog som svever på magnetfelt.

Vi flytter ikke bare eksisterende materialer til det ytterste – vi oppdager helt ny fysikk som har ligget skjult rett utenfor rekkevidde.

Og ærlig talt? Det er ganske spennende.

Kilde: ScienceDaily