Høg-temperatur superleiar: Ei vitskapleg og teknologisk utfordring

Kjemi nr 6, 01.08.1996

Frå og med året 1986 har ei rad nye elektrisk leiande substansar sett dagens lys i laboratoria rundt i verda, med eigenskapar som i dei føregåande 75 åra berre hadde vore ein framtidsdraum. Det handlar om oppdaging av nye typar superleiarar, dvs elektrisk leiande material som kan oppvise null elektrisk motstand under ein viss såkalla kritisk temperatur T_c.

Den eine nye eigenskapen ved desse materiala, og den viktigaste, var at medan vi tidlegare alltid måtte bruke flytande helium som kjølevæske, dvs kjøle metall og legeringar ned til ca minus 268 grader celcius ( 4,2 K, målt frå det absolutte nullpunkt) for å oppnå superleiande tilstand, så kunne vi nå gå over til å bruke ei langt billegare og lettare tilgjengeleg kjølevæske: flytande nitrogen, LN₂. Denne har sitt kokepunkt ved minus 196 grader celcius, eller 77 K. Og råstoffet er den lufta vi pustar i, altså gratis. Sidan dei nye materiala typisk oppnår superleiande tilstand ved kjøling til 90 K, eller høgare, var dette eit uhyre viktig framsteg med tanke på teknisk bruk av superleiar, både fordi kjøleteknikken er enklare ved desse temperaturane, og fordi kjøling ved bruk av LN₂ er langt billegare enn bruken av edelgassen He. Den nye rekorden for T_c ligg nå på 163 K, eller minus 110 celcius. Dette resultatet gir håp om revolusjonerande framsteg innan ei lang rekke tekniske områder, både på stor og liten skala.

Det andre nye ved desse superleiarane var at dei ikkje var metall eller legering som vi var vane med frå før, men tvertimot oksid. I den langvarige forskingsinnsatsen som tidlegare var gjort sidan oppdaginga av superleiing i kvikksølv i 1911, var det ikkje mange som ville ha satsa sitt vitskaplege renomme på at eit oksid, vanlegvis den beste form for isolator (!), skulle vise seg også å kunne gje perfekt leiingsevne, den stikk motsette eigenskapen. For denne oppdaginga har dei to herrane K.Alex Müller og J. Georg Bednorz ved IBMs forskingslaboratorium i Rüschlikon ved Zürich for alltid skrive sitt namn med gullskrift i vitskapens historie. Dei fann fram til oksidet La_2-xSr_xCuO₄. Og etter det kom det ei lang rekke nye oppdagingar av material i same klasse, slik at vi dag nærmar oss eit hundretal ulike variantar. Medan det var Müller og Bednorz som oppdaga den nye klassen av material, var det C.W. Chu i Houston som først fann det materialet som løfta temperaturen for superleiing over kokepunktet for nitrogen, 77 K. Det materialet han oppdaga i 1987 var Y₁Ba₂Cu₃O₇, populært kalla YBCO. Nobelprisen i fysikk vart tildelt Müller og Bednorz alt same året.

Det heilt spesielle ved alle desse nye superleiande materiala er at enda dei har ulike kjemiske formlar, har dei alle eit felles strukturelt element: Alle inneheld planare nettverk av Cu og O, og desse nettverka er igjen stabla parallelt og regelmessig gjennom heile strukturen. Det er i desse nettverka superleiingsevnen er lokalisert. Det er framleis ei vitskapleg gåte kvifor det må vere akkurat slik, men slik er det !

I tillegg til den høge kritiske temperaturen har desse nye materiala og ein heilt unik evne til å tole høge magnetfelt utan å tape superleiingsevnen, ein svært viktig eigenskap for mest alle tekniske anvendelsar.

Frå både fysisk og kjemisk synsstad er desse nye substansane svært interessante. Reint vitskapleg representerer dei noko av det mest utfordrande av alle material som er oppdaga eller framstilt i vårt materialorienterte århundre. Eitt teikn på dette er følgjande: trass i at vi har hatt ein gyldig teori for superleiingsfenomenet i metall og legeringar sidan midten av 50-talet, så er ikkje den grunnleggande mekanismen for superleiing i dei nye koparoksid-materiala forstått ennå. Ja, dei leiande teoretikarane, representert ved til dømes nobelprisvinnarane Robert Schrieffer og Phil Anderson seier at fundamentale deler av faststoff fysikken må skrivast om. Dei nye materiala representerer ei formidabel teoretisk og eksperimentell utfordring, reint vitskapleg. I tillegg kjem så utfordringane i å gjere ein så vanskeleg materie teknisk brukbar.

Etter at forventningane var skrudde høgt til vers frå 1987 og utover, er det mange som spør: Kvifor ser vi ikkje høg-Tc materiala tatt i bruk? Vi skal her gjere greie for nokre av grunnane til dette, og korleis det mellom anna heng saman med den spesielle, lagdelte strukturen som alt er omtala ovanfor.

Dei nye superleiarane merkar seg ut frå andre viktige elektrisk leiande material på ei rekke områder, i tilegg til dei som alt er nemnde: På grunn av den lagdelte strukturen framstår dei med elektriske eigenskapar som må tilskrivast tilnærma 2-dimensjonalitet, enda om dei sjølvsagt er bygde opp i ein 3-dimensjonal struktur. Dette skuldast, som vi skjønar av det som er nemnt ovanfor, at leiingsevna er knytt til det atomære nettverket av Cu og O ionar. Sidan desse planare strukturane er skilde frå kvarandre med andre atomslag, kan dei i enkelte tilfeller vere å betrakte som isolerte frå kvarandre. Det betyr at kvart slikt planart, atomært nett av kopar og oksygen blir som eit eige stoff i stoffet. Leiingsevnemessig blir resultatet at medan stoffet leier godt i alle retningar i dette planet, så blir leiingsevnen i andre retningar relativt dårleg! Superleiings-evnen er altså i sterk grad retningsavhengig, eller anisotrop, som vi seier.

Fig 1 viser strukturen for YBCO:

Den observante lesaren kan her til ein viss grad sjå kva det dreier seg om. Men dette stoffet er likevel eit av dei minst anisotrope.

Ein metallurg eller materialfysikar som er van med å arbeide med metall eller legeringar, vil i sin praksis kanskje aldri ha møtt det problemet at det kan vere dårleg elektrisk kontakt mellom dei krystallinske korna materialet er bygd opp av. Men her støyter vi på ennå eit problem: Sidan korna berre leier godt i eitt bestemt plan, blir vi tvinga til å orientere alle korn slik at den "gode" retningen ligg parallell i alle korn, ei uhyre krevjande oppgåve. Og for å gjere det ennå vanskelegare: Det har lett for å legge seg kjemiske samansetningar av ulike slag på grenseflatene mellom korna slik at superleiingskontakten blir svekka også ved dette.

Men der eksisterer ennå eit viktig problem, som er aktuelt i all praktisk bruk: Dette dreier seg om andre aspekt enn dei strukturelle, nemleg det vi kan kalle forankring av magnetisk fluks. Ein av dei mange fascinerande eigenskapane ved superleiarar er at når eit magnetfelt trenger inn i dei, skjer det ved at dei blir "gjennombora" av superleiande straumkvervlar som kvar er berar av ei viss kvantisert mengde magnetisk fluks. Problemet er at i straumførande tilstand vil desse flukslinene bli påverka av den såkalla Lorentz-krafta, gitt som produktet av påtrykt straum og magnetfelt. Denne krafta fører til at flukslinene forskyv seg. Men dette kostar energi fordi dei flytter seg i eit viskøst "medium" av elektriske ladningar, og dermed tappar energi frå straumkjelda, stikk i strid med det vi ynskjer. Frå før er det utvikla teknikkar for å forankre flukslinene i dei tradisjonelle, metalliske superleiarane, og såleis unngå dette tapet. Men mellom anna på grunn av at den såkalla superleiande koherenslengda er av svært kort rekkevidde i koparoksid superleiarane, er det vanskeleg å oppnå god fluksforankring i desse. Dette gjer at vi i praksis opplever betydelege energitap sjølv ved temperaturar som ligg langt under den kritiske temperaturen, T_c. Dermed får vi problem med å utnytte den fremste og mest lovande eigenskapen ved dei nye materiala, den høge T_c. Ulike metodar er under utvikling for å meistre dette problemet. Ved Institutt for fysikk ved NTNU prøver vi ein metode med å legge karbon- nanorør med diameter på berre ca 100 ångstrøm inn i superleiarane. Målet er at flukslinene skal plassere seg inne i desse røra og feste seg der for å redusere dei tapa som skuldast fluksliner i bevegelse.

Alt i alt skulle det etter dette ikkje vere vanskeleg å forestille seg at slike material ikkje berre kan vere vanskelege å beskrive teoretisk, men også uhyre krevjande å utforme til praktisk bruk.

Vi kan så stille spørsmålet: Kva er situasjonen med omsyn til teknisk bruk av dei nye materiala? Generelt kan vi konstatere at det store tekniske gjennombrotet ikkje er kome på noko område ennå. Det fins lange lister med potensielt viktige elektrotekniske og måletekniske anvendelsar av høg-T_c like såvel som for låg-T_c: Frå energitransport og energilagring på stor skala til levitasjon av tog som går i over 500 km/t til propellfri framdrift av båtar; frå motorteknologi og magnetteknologi, til måling av biomagnetiske signal frå hjarte og hjerne ; frå magnetseparasjon av mineral til magnetar og signal-sløyfer til bruk i magnetisk resonansavbilding i sjukehusa; frå antenner til filterteknologi innan romfart og jordbasert kommunikasjon, etc, etc.

Når det gjeld praktisk bruk av superleiarar er det framleis metall og legeringar som rår grunnen, særleg Nb₃Sn og NbTi. Her er det i dag eit marked på ca 3 milliardar Nkr pr år i USA åleine, heilt dominert av magnetframstilling til bruk i magnetisk resonans, NMR, ved sjukehusa og i laboratoria.

Dei nye superleiarane er nå på veg inn i kommersielle produkt, i spesielle nisjer. Ein kan i dag produsere magnetar som går opp til 4-5 tesla, dvs ca 4 gonger over det vi kan oppnå i konvensjonelle elektromagnetar. Men dei må ennå kjølast til omtrent same temperaturar som dei metalliske superleiarane for å gje så høge felt. Fordelen er at dei kan brukast til å forsterke magnetfeltet der dei metalliske superleiarane ikkje toler høgre felt. Slike hybridmagnetar vil etter kvart få ein viktig plass.

Eit anna døme: I samband med alle typar superleiande magnetar viser dei nye materiala seg å vere best når det gjeld straumtilføring frå romtemperatur til flytande helium temperatur. Her er dei inne i kommersielle produkt.

Når det gjeld kommunikasjon er høg-T_c høgfrekvensfilter for romfart utvikla. For mobiltelefon-kommunikasjon er det på veg inn på maknaden ein ny type bakkestasjonar som gir betre signalbehandling, og dermed behov for færre stasjonar.

For medisinsk bruk er det utvikla detektorar for opptak av magnetokardiogram som alternativ til elektrokardiogram. Ein siktar og mot deteksjon av signal frå hjernen.

Dei nye superleiarane er altså i ferd å finne sin plass i det teknologiske landskapet, om enn noko langsamare enn ein hadde vona. Og framleis ligg der ei stor utfordring i å skulle utnytte fullt ut det store potensialet desse materiala har.