Supraledande material kan få en viktig roll i framtidens energisnåla elektronik, men flera tekniska hinder återstår innan tekniken kan användas brett. Forskare vid Chalmers tekniska högskola har nu tagit fram en materialdesign som adresserar två centrala utmaningar: att möjliggöra supraledning vid högre temperaturer och att bibehålla funktionen i starka magnetfält. Resultaten kan få betydelse för utvecklingen av energieffektiv elektronik och kvantteknologi.
Digitala enheter, datacenter och informations- och kommunikationstekniska nätverk står idag för cirka 6 till 12 procent av den globala elanvändningen. Behovet av mer energieffektiva lösningar ökar därmed. Supraledande material, som kan leda elektricitet utan energiförluster, lyfts ofta fram som en möjlig väg framåt.
Samtidigt finns tydliga begränsningar. Supraledning kräver ofta mycket låga temperaturer, omkring minus 200 grader Celsius, vilket gör systemen resurskrävande. Dessutom kan starka magnetfält påverka eller helt slå ut det supraledande tillståndet, vilket är problematiskt i många avancerade tekniska tillämpningar.
Ny metod för mer robust supraledning
För att möta dessa utmaningar har forskare prövat att förändra materialens kemiska sammansättning, med varierande resultat. Forskargruppen vid Chalmers har i stället valt ett annat angreppssätt.
– Genom att i stället skulptera om den yta som supraledaren ligger på kunde vi framkalla supraledning vid betydligt högre temperaturer än vad som tidigare varit möjligt. Vi kunde också se att materialet fortsatte vara supraledande även när det utsattes för starka magnetfält, förklarar Floriana Lombardi, professor i kvantkomponentfysik på Chalmers och försteförfattare till en studie publicerad i Nature Communications.
Små förändringar med stor effekt
Forskarna använde ett kopparoxidbaserat material från familjen kuprater, som är kända för att vara supraledande vid relativt högre temperaturer. Dessa material är dock svåra att justera kemiskt efter tillverkning och används ofta i mycket tunna lager.
För att fungera i praktiska tillämpningar placeras sådana tunna material på ett substrat, som fungerar som underlag. Genombrottet kom när forskarna förändrade substratets yta på nanonivå.
– Eftersom atomer i substratet ligger i ett visst mönster kan det “styra” hur atomerna i det supraledande lagret lägger sig. När vi justerade formgivningen av underlaget kunde vi påverka de supraledande egenskaperna och se till att de bibehölls också vid högre temperaturer, och även när vi tillförde starka magnetfält, förklarar Erik Wahlberg, forskare vid RISE Research Institutes of Sweden och medförfattare till studien.
Genom värmebehandling i vakuum skapades ett regelbundet mönster av små strukturer på ytan. Detta påverkade hur elektronerna beter sig i gränsskiktet mellan materialen och bidrog till att stabilisera det supraledande tillståndet.
– Vi kunde se hur elektronernas egenskaper började ordna sig i en viss riktning i det här gränslandet, och bete sig på ett sätt som stabiliserade och stärkte det supraledande tillståndet, säger Floriana Lombardi.
Ny designprincip för framtida material
Resultaten pekar på en ny designprincip för utvecklingen av supraledande material.
– I stället för att leta efter nya material eller manipulera de kemiska egenskaperna i befintliga material, visar vi nu hur man kan förstärka supraledning genom att skulptera underlaget, säger Floriana Lombardi.
Metoden kan bidra till att supraledare i framtiden kan användas i mer praktiska sammanhang, exempelvis inom energieffektiv elektronik, kvantkomponenter och teknik där starka magnetfält är centrala.
– Det här visar att små förändringar på nano-nivå kan få avgörande effekter, och till och med frigöra supraledningens potential i framtidens elektronik, säger Floriana Lombardi.
