Floriana Lombardis forskargrupp bryter ny mark i jakten på supraledning vid rumstemperatur genom att utveckla nya sätt att styra materialens elektroniska bandstruktur – och därmed hur elektronerna beter sig i materialet. På sikt kan forskningen bana väg för nästa generations extremt energisnåla teknik.
Projektanslag 2024
”Quantum geometry and flat bands towards room temperature superconductivity”
Huvudsökande:
Professor Floriana Lombardi
Chalmers tekniska högskola
Medsökande:
Chalmers
Ulf Gran
Sergey Kubatkin
Göteborgs universitet
Johannes Hofmann
Uppsala universitet
Annica Black-Schaffer
Beviljat anslag:
24 000 000 kronor under fem år
Grafen används som modellsystem för att undersöka hur metoderna fungerar, och kunskapen ska sedan användas för att påverka egenskaperna hos mer komplexa supraledande material.
Supraledande material kan leda elektricitet helt utan energiförluster. Därför kan de få en nyckelroll i samhällets energiutmaningar, och revolutionera effektiviteten i elnät, elektronik och utvecklingen av kvantteknologi.
Men innan materialen kan få praktisk användning måste flera tekniska utmaningar övervinnas, och en av svårigheterna är att de supraledande tillstånden ofta kräver extrem nedkylning. På 1980-talet upptäckte forskare att kopparoxidmaterial blir supraledande vid betydligt högre temperaturer än något tidigare känt material. Det gjorde dessa så kallade högtemperatursupraledare till lovande kandidater i jakten på supraledning vid ännu högre temperaturer. Fortfarande är det dock långt kvar till det hett eftersträvade målet: att kunna framkalla supraledning vid rumstemperatur, så att materialen kan fungera praktiskt, utan nedkylning, utanför laboratoriemiljöer.
– Högtemperatursupraledare har unika materialegenskaper. Men 40 år efter upptäckten förstår vi fortfarande inte vilka mekanismer som gör att supraledning vid högre temperaturer kan uppnås. Och när den kunskapen saknas har vi inte redskapen för att designa nya, supraledande material som fungerar vid allt högre temperaturer, säger professor Floriana Lombardi vid Chalmers tekniska högskola.
Smart metod för att justera materialen
Hon leder ett projekt finansierat av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, som tar sig an denna utmaning tillsammans med en grupp forskare med lång erfarenhet på området. Målet är att förstå mer om mekanismerna bakom supraledning vid högre temperaturer, för att kunna kontrollera och modellera nya, högtemperatursupraledande material.
Redan nu har Floriana Lombardi och hennes forskarkollegor tagit viktiga kliv mot att kunna justera materialens egenskaper. Nyligen presenterade gruppen ett stort genombrott, i form av en ny designprincip i utvecklingen av högtemperatursupraledare. [JS1] Istället för att leta efter nya material eller manipulera kemin i befintliga material, har forskarna hittat ett sätt att skulptera om substratet – det bärande underlag som supraledaren ligger på – och därigenom skapa stark supraledning som bevaras även vid högre temperaturer.
– Vi har redan sett en ökning på 20 – 30 procent av de temperaturer som supraledning kan framkallas vid. Att ändra formgivningen av underlaget har gett oss en flexibel ”justeringsratt” för att kunna modifiera materialens egenskaper, och därmed lära oss mer om processerna bakom supraledningen, säger Floriana Lombardi.
Grafen som modellsystem
I många högtemperatursupraledare, som kopparoxider, anses starka interaktioner mellan elektroner vara avgörande för supraledningen. Sådana interaktioner gynnas i allmänhet av så kallade platta band – en sorts energilandskap där elektronerna knappt rör sig och blir tunga, vilket gör att de påverkar varandra starkt.
Med forskarnas nya metod, där substratet som materialet vilar på justeras, blir det möjligt att kontrollera materialets bandstruktur och skapa platta band som skulle kunna förstärka supraledningen.
Men forskargruppen har också tagit ytterligare ett nytt grepp i jakten på slutmålet.
– Starka interaktioner mellan elektroner kan vara nyckeln till att uppnå supraledning vid högre temperaturer. Samtidigt vet vi att sådana starka interaktioner gör materialen svåra att modellera. Därför har vi lagt till en ny ingrediens i projektet, säger Floriana Lombardi.
Den nya ingrediensen är bilagergrafen, ett material som består av två atomtunna lager kol. Inspirationen kommer från en uppmärksammad upptäckt 2018: när två lager grafen vrids en liten, ”magisk” vinkel i förhållande till varandra kan materialet bli supraledande. Då uppstår platta band, som gör att elektronerna påverkar varandra starkare.
Forskargruppen vill nu skapa liknande förutsättningar utan att vrida grafenlagren. I stället ska de med hjälp av elektriska fält försöka forma elektronernas energilandskap och skapa platta band i materialet. Det ger forskarna ett enklare och mer kontrollerbart system, som också är lättare att beskriva teoretiskt. På så sätt kan de undersöka vilken roll de platta banden spelar för supraledningen.
– Både kopparoxider och bilagergrafen är lagerbaserade material – men det senare består enbart av två lager grafen. Det gör materialet betydligt enklare att förstå och arbeta med, samtidigt som det ändå kan bli supraledande, säger Ulf Gran, professor på Chalmers och en av projektdeltagarna.
De platta banden i bilagergrafen har dessutom särskilda kvantgeometriska egenskaper som forskarna kan utnyttja för att göra supraledningen mer robust.
– Även om elektronerna i ett platt band är tunga gör kvantgeometrin att materialet ändå kan leda starka superströmmar, säger Johannes Hofmann, Göteborgs universitet, som också är deltagare i projektet.
Viktiga kliv mot slutmålet
I projektet ingår forskare från Chalmers, Göteborgs universitet och Uppsala universitet. En unikt sammansatt grupp, påpekar Floriana Lombardi, där varje deltagare är avgörande för att projektet ska bli framgångsrikt.
– Vi har alla olika nyckelkompetenser, både på det teoretiska och experimentella området. Dessutom finns en fantastisk infrastruktur inom forskningsområdet i Sverige, med flera labb som är helt centrala för vår forskning, säger Floriana Lombardi, som samtidigt inte vågar slå fast att forskarna kommer ro i land alla delar av projektet.
– Om supraledning kunde uppnås vid rumstemperatur skulle det revolutionera samhället. Vi har fötterna på jorden och är medvetna om utmaningarna, men jag tror att vår forskning kan ta viktiga steg mot det målet, säger hon.
Text Ulrika Ernström
Bild Johan Wingborg
