Vad är supraledning?

Superledning är en cool del av fysiken som har användningsområden i många faktorer i våra liv. Om forskare kunde upptäcka en supraledare för rumstemperatur och tryck skulle det revolutionera tekniken. Tyvärr har detta visat sig vara en mycket svår uppgift och det kanske inte alls är möjligt.

Vad är supraledning?

En elektrisk ledare är ett material som kan leda elektricitet. Varje material har sitt eget elektriska motstånd som är ett mått på dess motstånd mot flödet av en elektrisk ström. Ett material med hög resistans är en dålig ledare och vice versa.

Supraledning är ett fysikfenomen där ett material har noll elektriskt motstånd. I detta tillstånd finns det ett antal intressanta och användbara effekter. En supraledare utan motstånd innebär att en elektrisk ström kan passera genom den utan att någonsin förlora energi eller värma upp den. Detta kan möjliggöra perfekt effektiv energiöverföring och lagring.

Supraledare kan också skapa exceptionellt kraftfulla magneter, exempel på detta finns i MRI-maskiner och i partikelacceleratorer. Experiment har visat att elektriska strömmar i dessa magneter kan kvarstå i åratal utan någon mätbar minskning av styrkan. Forskning tyder på att strömmen skulle vara stabil i minst 100 000 år, med vissa uppskattningar som förutspår att strömmen skulle kunna bestå längre än universums beräknade livslängd.

När de placeras över en magnet bildar supraledare ett lika stort magnetfält som stöter bort magneten. Detta gör att supraledare kan sväva perfekt över eller under en magnet eller till och med längs ett spår av magneter.

Krav på supraledning

Ett material börjar supraledande först under en viss temperatur, där dess elektriska motstånd plötsligt sjunker till noll. Tyvärr blir alla kända supraledare bara supraledande vid extremt kalla temperaturer. En "högtemperatur"-supraledare definieras som ett material som beter sig som en supraledare över temperaturen för flytande kväve (73K eller -200°C). Den exakta temperaturen vid vilken ett materials elektriska motstånd sjunker till noll kallas den "kritiska temperaturen".

Tips: Särskilt kalla element i fysiken mäts vanligtvis i Kelvin (K). En Kelvin motsvarar en grad Celsius, men Kelvin-skalan börjar vid absoluta noll, eller -273,15°C.

Den högsta temperatursupraledaren som upptäckts, från och med 2020, är ​​Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127 som har en kritisk temperatur på 138K eller -135°C vid en atmosfärs tryck.

Temperaturen är inte den enda viktiga faktorn för supraledning, tryck spelar också en roll i ett antal supraledare. Vätesulfid (H2S) har en kritisk temperatur på bara 203K (-70°C), och lantandekahydrid (LAH10) har en kritisk temperatur på 250K (-23°C). Tyvärr måste dessa material ha otroligt höga tryck för att bli supraledande, med H2S som behöver 986 923 atmosfärer och LaH10 behöver 1 677 770 atmosfärer.

Tips: Trycket på denna skala mäts vanligtvis i GPa eller Giga-pascal med siffrorna 100 GPa respektive 170 GPa. För att göra detta värde mer begripligt har det omvandlats till atmosfärer. En tryckatmosfär är det genomsnittliga lufttrycket vid havsnivån på jorden. Som jämförelse är trycket vid den djupaste punkten av jordens hav, Challenger Deep i Mariana-graven, 1 071 atmosfärer på 10 994 meter under havsytan.

Potentiella framtida användningsområden för supraledare i rumstemperatur

Termen "rumstemperatursupraledare" används för att hänvisa till potentiella framtida material som uppvisar supraledning vid temperaturer över 273K eller 0°C. För att bli särskilt användbara i den verkliga världen måste dessa material också vara supraledande vid eller nära en atmosfär av tryck.

En supraledare i rumstemperatur skulle bidra till att minska världens energiproblem genom att nästan eliminera den elektriska energi som går förlorad vid långdistansöverföring över kraftledningar. De skulle också möjliggöra snabbare datorer och minneslagringsenheter tillsammans med känsligare vetenskapliga sensorer. Det skulle bli mycket billigare att köra de superstarka magneterna som används i enheter som partikelacceleratorer, MRI-maskiner, prototyper av kärnfusionsreaktorer och maglevtåg, eftersom magneterna inte skulle kräva flytande kväve för att kyla supraledaren tillräckligt för att fungera.