»Milepæl«: Ny superleder fungerer ved stuetemperatur

27. september 2022: OBS! Studiet, denne artikel bygger på, er blevet trukket tilbage af tidsskriftet. Læs mere her.

Forestil dig, at vi kan skabe et materiale, der uden besvær kan overføre elektricitet uden energitab - og som fungerer naturligt ved stuetemperatur. Det ville være en bedrift, der potentielt kan spare os for enorme mængder energi og revolutionere moderne teknologi.

Den mulighed er nu rykket et skridt nærmere.

En række fysikere har nemlig nået en milepæl, da de i et nyt studie i Nature for første gang har demonstreret, hvordan det er muligt at lave gasser om til et metallisk materiale, der fungerer som en superleder ved 15 grader celcius (kølig stuetemperatur).

Med de nye resultater overkommer forskerne en af de helt store udfordringer, der tidligere har været med at skabe superledende materiale:

De har kun fungeret ved ekstremt lave temperaturer, som skal helt ned omkring minus 70 grader og endnu køligere, hvis de er baseret på jern.

»Vores opdagelse vil nedbryde de temperatur-barrierer, vi har set tidligere, og åbne døren for mange potentielle applikationer,« siger Ranga P. Dias, professor i fysik og maskinteknik ved University of Rochester og seniorforfatter på studiet, ifølge ScienceAlert, der omtaler den nye opdagelse som en 'milepæl'.

Den betegnelse erklærer fysiker Brian Møller Andersen sig enig i, da Videnskab.dk fanger ham på en telefon.

Han har skimmet studiet og kalder det overordnet »solidt«.

»Jeg synes godt, man kan kalde det en milepæl. Det er først gang, man viser, at det kan lade sig gøre at lave et materiale, der er superledende ved stuetemperatur. Det er ikke, fordi der noget fundamentalt nyt i det, men det demonstrerer noget, som vi har vidst på et teoretisk plan,« lyder det fra Brian Møller Andersen, der er lektor i fysik ved Niels Bohr Institutet og forsker i superledere.

Har fundet en opskrift efter flere forsøg

Men hvad er det egentlig for en kode, fysikerne har knækket, når det kommer til at skabe et materiale, der er effektivt ved omtrent 15 grader?

Efter at have eksperimenteret med flere grundstoffer i forskellige kombinationer ramte fysikerne til sidst plet med en opskrift, der består af tre grundstoffer: svovl, kulstof og brint. Altså stod forskerne tilbage med et materiale med kulstofholdigt svovlhydrid.

Til det amerikanske medie New York Times har kemiker Eva Zurek, der ikke har været en del af studiet, forklaret, at kulstof fungerer godt i den blanding, fordi det ser ud til at danne stærke bindinger, der potentielt kan holde materialet sammen.

I elektrisk ledende materialer bæres den elektriske ladning af elektroner, og elektrisk strøm er i bund og grund elektroner i bevægelse.

Normalt støder elektronerne ind i atomer eller andre elektroner på deres vej, så en del af deres energi bliver til varme - der er elektrisk modstand. I superledende materialer har elektronerne frit løb, så modstanden forsvinder.

Gasser presses sammen til metallisk materiale

Så langt, så godt.

Men ingen nye forsøg kommer uden udfordringer, og det her er ingen undtagelse. For det er ikke bare sådan lige at forvandle tre grundstoffer til noget, der i sidste ende skal ende som metallisk materiale i eksempelvis ledninger.

Og her kommer den helt store knast: Før fysikerne opnår det metalliske materiale, en superleder, skal de tre grundstoffer nemlig metalliseres (overfladebehandles) under et enormt pres, der sker i en såkaldt diamanttrykcelle (se illustration herunder).

Groft sagt er det gasser, der, når de presses sammen ved et stort tryk, bliver til metallisk materiale, der kan lede strøm.

Faktisk skal presset været så stort, som det der findes inde omkring Jordens kerne, forklarer forskerne i videoen øvest i artiklen. Dertil kommer, at fysikerne kun har skabt små metaller i mikrometer (en milliontedel af en meter), hvilket er meget, meget småt.

»Gennembruddet her er, hvordan man nu er lykkedes med at få kulstof ind som grundsstof og dannet nye kemiske strukturer, der kan omdannes til superledere ved almindelig stuetemperatur. Det giver dog den udfordring, at der skal et ekstremt højt tryk til, før man får de her flydende gasser omdannet til metallisk materiale,« forklarer Brian Møller Andersen.

»Næste skridt vil derfor være, at man får fundet nogle andre atomer, der kan være med til at bringe trykket længere ned. For det tryk, de har brugt her, er der få laboratorier rundt i verden, der kan mønstre, så det nye fund kan vi ikke lave computere eller ledninger af, men det er et skridt på vejen,« fortsætter han.

Har enormt potentiale

Men hvorfor er fysikerne så forhippede på at knække koden om de såkaldte superledere? Det simple svar er, fordi det er en ufattelig effektiv måde at lede energi på. Der er nemlig intet tab.

Som du nok allerede ved, flytter en ledning elektricitet fra et sted til et andet. Superledere har samme egenskab - de er bare meget bedre. I en almindelig ledning mister elektriciteten nemlig en stor mængde energi, da den hele tiden støder på ting. En superleder flytter elektriciteten helt uden energitab.

Superledende elektromagneter kan også bruges til at holde tog svævende og dermed revolutionere transportsektoren, og store superledende spoler kan opbevare energi fra vindmøller eller solceller, indtil der er brug for den.

»Hvis vi finder et brugbart superledende materiale, så kan det være med til at revolutionere vores elektroniske verden, for alle tab i ledninger ville være nul,« mener Brian Møller Andersen, der selv har bidraget til forskning i blandt andet jernbaserede superledere.

»Men lige nu er vi fanget et sted, hvor vi enten har et materiale, der fungerer fint ved utrolig lave temperaturer, eller vi har en metode, hvor vi skal bruge et virkelig højt tryk for lave gasser om til metallisk materiale,« uddyber fysikeren.

Stuetemperatur er drømmen

På Videnskab.dk har vi tidligere skrevet om, hvordan forskere har brugt både svovlbrinte og jern som materiale til superledere. Men problemet med de metoder er som nævnt, at det kræver ekstremt lave temperaturer.

For jo varmere temperaturer man kan få superledende materialer til at virke under, desto billigere og mere anvendeligt bliver det. At kunne skabe superledning ved stuetemperatur er altså en form for idealmål, for det strøm vil så kunne transporteres over lange afstande helt uden tab.

Og det er netop, hvad forskerne med deres nye studie i Nature har demonstreret ikke er helt utænkeligt i fremtiden.

Men der er stadig et stykke vej til en elektronisk verden domineret af superledere, lyder den afsluttende bemærkning fra Brian Møller Andersen.