Suprajohtavuutta viritellen

Suprajohtavilla materiaaleilla voisi olla ratkaiseva rooli tulevaisuuden energiatehokkaissa sovelluksissa. Useat tekniset haasteet kuitenkin estävät niiden käytännön käytön.

Nyt ruotsalaisen Chalmersin teknillisen yliopiston tutkijat ovat kehittäneet uudenlaisen materiaalisuunnitelman, jonka osoite on alan merkittävin haaste: suprajohtavuuden toiminta korkeammissa lämpötiloissa samalla, kun se kestää voimakkaita magneettikenttiä.

Tällaisten kestävien suprajohteiden etsinnässä alan tutkijat ovat yrittäneet muokata monenlaisten materiaalien kemiallista koostumusta, mutta rajoitetulla menestyksellä.

”Muokkaamalla pintaa, jolla suprajohde lepää, pystyimme indusoimaan suprajohtavuuden huomattavasti korkeammissa lämpötiloissa kuin aiemmin oli mahdollista. Havaitsimme myös, että materiaali pysyi suprajohtavana jopa voimakkaille magneettikentille altistuessaan”, selittää tutkimuksen pääkirjoittaja Floriana Lombardi.

Tutkijat käyttivät kuparioksidipohjaista materiaalia. Kupraatit ovat suprajohteita, jotka voivat toimia melko korkeissa lämpötiloissa mutta niiden kemiallista rakennetta on vaikea säätää valmistuksen jälkeen.

Tässä tutkimuksessa käytetty suprajohtava materiaali on vain muutaman nanometrin paksuinen. Käytännön elektroniikassa tällaiset ultraohuet kalvot on kerrostettava tukialustalle eli substraatille, joka tarjoaa tarvittavan mallin kasvulle. Läpimurto tapahtui, kun Chalmersin tiimi otti käyttöön nanomittaisia järjestelyjä substraatin pintaan.

”Koska substraatin atomit ovat järjestäytyneet tiettyyn kuvioon, ne voivat ’ohjata’ suprajohtavan kerroksen atomien asettumista. Muuttamalla substraatin pinnan rakennetta pystyimme vaikuttamaan suprajohtaviin ominaisuuksiin ja varmistamaan, että ne säilyivät myös korkeammissa lämpötiloissa ja voimakkaita magneettikenttiä käytettäessä”, selittää Eric Walhberg.

Kun tutkijat esikäsittelivät alustaa tyhjiössä ja korkeassa lämpötilassa, muodostui säännöllinen pintakuvio, joka koostui pienistä harjanteista ja laaksoista. Tämä kuvio loi alustan ja suprajohtavan materiaalin rajapinnalle eräänlaisen elektronisen maiseman – sellaisen, joka suosi vahvempaa suprajohtavuutta.

”Näimme, kuinka elektronien ominaisuudet alkoivat muuttua tällä rajapinta-alueella tiettyyn suuntaan ja käyttäytyä tavalla, joka vakautti ja vahvisti suprajohtavaa tilaa”, Lombardi sanoo.

Tämän läpimurron myötä tutkijat esittelevät uuden suunnitteluperiaatteen suprajohtavien materiaalien kehittämiseksi, jotka saattavat tulevaisuudessa saavuttaa paljon korkeammat lämpötilaominaisuudet, ehkä jopa lähellä huoneenlämpötilaa.

”Sen sijaan, että etsisimme täysin uusia materiaaleja tai manipuloisimme olemassa olevien kemiallisia ominaisuuksia, osoitamme nyt, kuinka suprajohtavuutta voidaan parantaa muokkaamalla alustaa”, Lombardi sanoo.

Aiheesta aiemmin:

Suprajohtavuudelle uusi lämpötilaennätys

Magnetismi ja korkean lämpötilan suprajohteet

Uusia vihjeitä suprajohtavuudesta