Wissenschaft

Atomare Prozessanalyse in Supraleitern bei hohen Temperaturen

Séamus Davis, Professor für Physik an den Universitäten von Oxford und Cork, ist der Leiter einer internationalen Forschungsgruppe, die gerade Ergebnisse veröffentlicht hat, die Licht auf den atomaren Mechanismus werfen, der Supraleitern bei hohen Temperaturen zugrunde liegt. Die Ergebnisse werden in präsentiert PNAS.

Bildnachweis: Shutterstock/Yurchanka Siarhei

Supraleiter sind Substanzen, die elektrischen Strom widerstandslos leiten können, wodurch ein elektrischer Strom ununterbrochen fließen kann. Die Supraleitung erfordert typischerweise extrem niedrige Temperaturen, was ihre weit verbreitete Verwendung einschränkt.

Supraleiter werden bereits in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter MRT-Scanner und Hochgeschwindigkeits-Magnetzüge. Die Entwicklung von Supraleitern, die bei Raumtemperatur funktionieren, ist eines der Hauptziele der physikalischen Forschung, da sie die Speicherung und den Transport von Energie revolutionieren könnte.

Nach ihrer Entdeckung im Jahr 1987 haben bestimmte Kupferoxidmaterialien Supraleitfähigkeit bei Temperaturen gezeigt, die höher sind als die von gewöhnlichen Supraleitern, aber der zugrunde liegende Mechanismus blieb ein Rätsel.

Um dies zu untersuchen, wurden von einem internationalen Forscherteam aus Oxford, Cork, Irland, den USA, Japan und Deutschland zwei neue Mikroskopietechniken entwickelt.

Die erste berechnete die Energiedifferenz zwischen den Orbitalen der Kupfer- und Sauerstoffatome über ihre relativen Positionen. Die zweite bewertete die Stärke der Supraleitung (die Amplitude der Wellenfunktion des Elektronenpaars) für jedes Kupfer- und Sauerstoffatom.

Durch die Visualisierung der Stärke der Supraleitung als Funktion der Unterschiede zwischen Orbitalenergien konnten wir zum ersten Mal die Beziehung genau messen, die erforderlich ist, um eine der führenden Theorien der Hochtemperatur-Supraleitung auf atomarer Ebene zu validieren oder zu entkräften..

Séamus Davis, Professor, Physik, Universität Oxford

Gemäß den Vorhersagen der Theorie zeigten die Daten eine quantitativ umkehrbare Beziehung zwischen der Stärke der Supraleitung und der Energieübertragungsdifferenz zwischen nahegelegenen Sauerstoff- und Kupferatomen.

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Das Forschungsteam glaubt, dass diese Erkenntnis ein wichtiger Meilenstein in der Entwicklung von Supraleitern bei Raumtemperatur sein könnte. Letztendlich könnten diese für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt werden, wie z. B. supereffiziente Energiespeicherung und -übertragung, Quantencomputer, Kernfusionsreaktoren und Hochenergie-Teilchenbeschleuniger.

Aufgrund der robusten „Kupferpaare“, in denen die stromführenden Elektronen gebunden sind, ist der elektrische Widerstand in Supraleitermaterialien begrenzt. Thermische Schwingungen fangen Kupferpaare in Supraleitern bei niedrigen Temperaturen ein, aber sie werden bei erhöhten Temperaturen zu instabil.

Diese neuen Erkenntnisse zeigen, dass die Kupferpaare in Hochtemperatur-Supraleitern nicht durch magnetische Wechselwirkungen miteinander verbunden sind, sondern durch eine quantenmechanische Wechselwirkung zwischen den Elektronenpaaren und dem Sauerstoffatom dazwischen.

Professor Davis sagte: „Dies ist seit fast 40 Jahren einer der heiligen Grale der Probleme in der physikalischen Forschung. Viele Menschen glauben, dass billige, leicht verfügbare Supraleiter bei Raumtemperatur für die menschliche Zivilisation genauso revolutionär wären wie die Einführung der Elektrizität selbst.“

Zeitschriftenreferenz:

O’Mahony, SM, et al. (2022) Über den Elektronenpaarungsmechanismus der Kupferoxid-Supraleitung bei hoher Temperatur. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2207449119.

Quelle: https://www.ox.ac.uk/

Lili Falk

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