NUS upptäcker kopparfri material med högtemperatursupraledning

Potentialen för supraledning

Elektricitet är en av de viktigaste teknologierna som mänskligheten någonsin har uppfunnit. I sin vanliga form hanterar den alltid någon nivå av elektrisk resistans, vilket genererar värme när en elektrisk ström cirkulerar.
Detta kan innebära allvarliga begränsningar för vissa tillämpningar som kräver för stark ström eller magnetfält, eftersom det skulle leda till att elektriska system helt enkelt smälter.

Ett alternativ är supraledning, ett fenomen där elektrisk resistans sjunker till noll. Men under en mycket lång tid kunde det endast observeras vid extremt låga temperaturer, nära den absoluta nollpunkten (0 K), eller omkring -273 °C/-387 °K.

Detta förändrades med en upptäckt som tilldelades Nobelpriset i fysik 1987: högtemperatursupraledare gjorda av kopparoxider.

Utan supraledning skulle mycket modern teknik inte vara möjlig, inklusive partikelacceleratorer (till exempel CERN), MR-undersökningar och maglevtåg.

Supraledning kommer också att vara en avgörande komponent i de mest lovande megaprojekten och tekniska innovationerna, såsom ITER och kärnfusion, massdrivare, kvantdatorer, etc.

Elkraftledningar utan förluster kan också vara avgörande för att utveckla ultralånga nätanslutningar som hjälper till att jämna ut produktionen av förnybar energi över väderförhållanden och tidszoner, vilket löser vissa av begränsningarna för sol- och vindkraft.

Källa: XOT Metals

Högtemperatur‑supraledning

För närvarande gör låga temperaturkravet supraledning ekonomiskt lönsam endast för högkvalitativa tillämpningar: maglev, MR, etc.
Och även om det är vetenskapligt intressant är supraledning under högt tryck relativt värdelös ur ett praktiskt perspektiv.
En hel del framsteg har skett inom supraledningsområdet nyligen som kan förändra situationen:

• Det verkar nu som att materialet som produceras under högt tryck kan behålla en del av sin supraledning vid lägre tryck genom en experimentell metod kallad pressure‑quench‑protokoll (PQP).
• Twisted bilayer of WSe₂ (tungsten selenium) visade sig också vara ett bra materialkandidat för högtemperatursupraledare.
• En annan ny klass av potentiella supraledare, bilagernickelater, kan också ha lagts till listan i år.
• Senare dök det gåtfulla fallet av LK-99 (en form av kopparersatt blyapatit – CSLA), potentiellt en ny typ av supraledare vid atmosfärstryck och rumstemperatur.
  • Påståendet bestriddes omedelbart och kritiserades som en bluff eller ett mätfel, men andra forskare upptäckte att det kanske faktiskt händer något.

Trots dessa nya upptäckter är supraledning till stor del ett dåligt förstått fenomen, med många gissningar i mörkret för att försöka hitta nya material med den egenskapen. Därför krävs ett bättre teoretiskt ramverk.

En del av pusslet hittades i mars 2025, med en bättre förståelse för vilka möjliga högre temperaturer för supraledning (Tc) som finns.

En annan är skapandet av en ny teoretisk modell av forskare vid National University of Singapore som redan har lett till upptäckten av ett kopparfritt supraledande material. Denna prestation tillkännagavs nyligen i den prestigefyllda vetenskapliga publikationerna Nature¹, under titeln “Bulk superconductivity near 40 K in hole-doped SmNiO2 at ambient pressure”.

Ny supraledningsmodell

Förklara supraledning

Forskarna arbetade med att utveckla en ny teoretisk modell som förklarar hur supraledning fungerar. Detta är ett komplext ämne, som kan sammanfattas enklare med några nyckelkoncept:

Cooper-par, eller två elektroner bundna tillsammans genom en kvanteffekt, är ett nyckelelement för att göra ett material supraledande.

Det är kondensationen av Cooper-par som skapar supraledning, åtminstone enligt forskarna som först förklarade supraledning (Bardeen–Cooper–Schrieffer-teorin, eller BCS-teorin), och som vann Nobelpriset i fysik 1972 för denna idé.

Det är fononer, eller vibrationerna på kvantnivå i materialets kristallgitter, som driver bildandet av Cooper-par. När tillräckligt många Cooper-par bildas möjliggör detta att elektroner kan röra sig genom materialet utan kollision, vilket eliminerar elektrisk resistans.

Källa: Fiveable

Förutsäga och producera nya supraledare

Den nya modellen som förutsäger bildning av Cooper-par hjälper forskaren att förutsäga många potentiella supraledare, inklusive många som inte innehåller några kopparatomer.
De syntetiserade sedan framgångsrikt ett av de förutsagda materialen: samarium‑europium‑kalcium‑nickeloxid (Sm‑Eu‑Ca)NiO₂.

“Som vi förutsåg och designade visar detta icke‑kopparbaserade supraledande oxid högtemperatursupraledning under atmosfärstryck vid havsnivå, utan behov av ytterligare kompression – precis som kopparoxider.

Denna upptäckt tyder på att okonventionell högtemperatursupraledning inte är exklusiv för koppar utan kan vara en mer spridd egenskap bland elementen i periodiska systemet.

Dr. Stephen Lin Er Chow – Forskare vid National University of Singapore

De bekräftade också noll elektrisk resistans (supraledning) väl över 30 K i denna förening. Detta är inte bara ett nytt material att experimentera med, utan ett bevis på att modellen de använde har förutsägande värde, vilket sannolikt betyder att det andra förutsagda supraledande materialet också kan fungera. Detta är den första upptäckten av en sådan högtemperatursupraledare sedan 1990‑talen.

Källa: National University of Singapore