Nieuw materiaal verlegt grenzen in supergeleiding

In het team, onder leiding van materiaalwetenschapper professor Chang-Beom Eom, zitten deskundigen van de University of Wisconsin-Madison, Florida State University en de University of Michigan.,

Supergeleiders, die momenteel werken onder extreem lage temperaturen, zijn buitengewoon efficiënte energietransporteurs. Met de mogelijkheid om grote elektrische stromen te transporteren en sterke magnetische velden te produceren, staan ze aan de basis van al bestaande technologieën als beeldvorming met behulp van magnetische resonantie en zogeheten ‘maglev’-treinen. Ze zijn ook veelbelovend voor aankomende toepassingen in elektronicacomponenten, vervoer en de opwekking, het transport en de opslag van vermogen.

Gelaagd

Zorgvuldig gelaagde supergeleidende materialen zijn steeds belangrijker in bijzonder geacanceerde toepassingen. Zo zijn bijvoorbeeld Squids (superconducting quantum interference device), die worden gebruikt om subtiele magneetvelden te meten in magneto-encefalografie-scans van de hersenen, gebaseerd op een drielaags materiaal.

De grote uitdaging is echter nog steeds om materialen te vinden – en benutten – die supergeleiden bij kamertemperatuur. De onderzoekers werken daarvoor met een onconventionele hoge-temperatuur supergeleider:  het op ijzer gebaseerd ‘pnictide’. Is veelbelovend, omdat de effectieve werktemperatuur hoger ligt dan conventionele supergeleidende materialen als niobium, lood of kwik. Het team onderzocht de eigenschappen van ‘superlattices’ van pnictide supergeleiders. Een superlattice is een complexe, regelmatig herhalende geometrische rangschikking van atomen – de kristalstructuur – in lagen van twee of meer materialen. Pnictide supergeleiders omvatten samenstellingen die zijn gemaakt van één van vijf elementen uit de stikstofgroep in het periodieke systeem (de zogeheten pnictogenen).

Interface

Het nieuwe materiaal van de onderzoekers bestaat uit 24 lagen van afwisselend pnictide supergeleiders en een laag strontiumtitanaat. Het creëren van zo’n systeem is lastig, vooral als de rangschikking van de atomen en de chemische compatibiliteit van de materialen stek verschillen. Toch konden de wetenschappers een tot op atomair niveau scherpe overgang handhaven op de plaatsen waar de materialen bij elkaar komen. Elk atoom in elke laag is nauwkeurig gespatieerd, met goed gedefinieerde tussenafstanden en in een regelmatig herhalende kristalstructuur. Het nieuwe materiaal heeft ook verbeterde stroomvoerende capaciteiten.

Bij het aangroeien van de superlattice hebben de onderzoekers ook een klein beetje zuurstof toegevoegd, om moedwillig defecten aan te brengen in het materiaal. Deze defecten werken als pinning-centra, obstakels die kleine magnetische wervelingen immobiliseren, om te voorkomen dat ze in het grote magnetische veld sterker worden en de stroom door de supergeleider beperken. "Als zulke wervelingen zich vrijuit kunnen verplaatsen  dissipeert de energie en is de supergeleider niet meer verliesvrij", zegt Eom. "We hebben zowel verticale als planaire pinning-centra aangebracht omdat de wervelingen die ontstaan door magnetische velden zich in veel verschillende oriëntaties kunnen manifesteren".

Noodzaak

Eom ziet mogelijkheden om voort te borduren op het succes bij het ontwikkelen van door de mens gemaakte supergeleidende structuren. "Het is noodzakelijk om superlattices te ‘engineeren’ voor een beter begrip van de fundamenten van supergeleiding, voor het gebruik in elektronicacomponenten en sterke velden, en om buitengewone eigenschappen in het systeem te realiseren. En het ziet er naar uit dat interfaces tussen lagen een nieuw onderzoeksveld kunnen vormen voor hoge-temperatuur supergeleiding. Dit materiaal biedt die mogelijkheden."