Supraledande material har möjlighet att revolutionera framtidens energieffektiva elektronik, men ett antal tekniska hinder förhindrar att dessa tillämpningar blir verklighet. Forskare vid Chalmers har nyligen utvecklat en ny materialdesign som angriper ett av de största problemen inom fältet: att möjliggöra supraledning vid högre temperaturer samtidigt som man säkerställer motstånd mot kraftiga magnetfält. Detta genombrott kan leda till betydligt mer energieffektiv elektronik och framsteg inom kvantteknologi.
I dagsläget står digitala apparater, datacenter och informations- och kommunikationstekniska nätverk för ungefär 6 till 12 procent av den globala energiförbrukningen. Detta gör behovet av mer energieffektiv elektronik både stort och växande. Supraledande material framstår som en lovande lösning i detta sammanhang. Till skillnad från den nuvarande elektroniken, där energi förloras som värme, kan supraledande material leda elektricitet utan några energiförluster. Därmed har supraledare potential att göra elnät, elektronik och kvantteknologier upp till hundra gånger mer energieffektiva.
Trots denna potential finns det fortfarande flera hinder för praktiska tillämpningar. En av de största utmaningarna är att supraledande tillstånd ofta kräver extremt låga temperaturer, ner till minus 200 grader Celsius, vilket gör nedkylningsprocessen både komplicerad och energikrävande. En annan betydande svårighet är att supraledning kan försvagas eller sluta fungera i starka magnetfält. Detta utgör en kritisk begränsning, eftersom sådana magnetfält är vanliga i avancerade elektroniska komponenter och dessutom spelar en avgörande roll i många kvantteknologier.
För att möjliggöra användning av denna teknik utanför laboratoriemiljöer krävs material som kan upprätthålla supraledning vid högre temperaturer, helst nära rumstemperatur, och som dessutom är resistenta mot magnetfält.
Nytt angreppssätt har lett till robust supraledning.
Forskare inom området har försökt ändra den kemiska sammansättningen av olika material i syfte att hitta robusta supraledare, men med begränsade resultat. Nu har forskare vid Chalmers tagit ett annat grepp – och nått en betydande framgång.
– 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 som publicerats i Nature Communications.
Minimal detalj hade en betydande inverkan
Forskare vid Chalmers använde ett material baserat på kopparoxid som är en del av kupratfamiljen. Kuprater, som är välkända för sina supraledande egenskaper vid relativt höga temperaturer, har dock en kemisk struktur som är svårt att modifiera efter att de har skapats. Denna typ av supraledande material mäter endast några nanometer i tjocklek, vilket innebär att de är tunnare än en miljondel av ett hårstrå. För att dessa ultratunna filmer ska kunna tillämpas praktiskt inom elektronik, krävs det att de placeras på ett substrat som fungerar som en stödyta för tillväxt. Genom att göra nanojusteringar på ytan av substratet nådde Chalmersforskarna sitt genombrott.
– 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 och medförfattare till studien.
När forskarna förbehandlade substratet i vakuum och i hög temperatur bildades ett regelbundet mönster av små dalar och berg på ytan. Mönstret gav upphov till ett slags elektroniskt landskap i gränsskiktet mellan substratet och det supraledande materialet, som gynnade en starkare supraledning.
– 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 framtidens supraledare
Genombrottet innebär att Chalmersforskarna introducerar en ny designprincip i utvecklingen av framtida, supraledande material som kan användas i betydligt högre temperaturer än idag, förhoppningsvis nära rumstemperatur.
– 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.
Resultaten öppnar för en praktisk tillämpning av supraledare i energieffektiv elektronik, nästa generations kvantkomponenter och teknik som kräver starka magnetfält.
– 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.
