Snart är det 40 år sedan forskare upptäckte att vissa material kan bli supraledande vid betydligt högre temperaturer än nära den absoluta nollpunkten. Oscar Tjernberg leder ett projekt som ska öka förståelsen för hur det är möjligt.
Projektanslag 2024
Cooper-pair spectroscopy: A new window into the world of superconductivity
Huvudsökande:
Oscar Tjernberg, professor
Medsökande:
KTH
Egor Babaev
Yasmine Sassa
Lärosäte:
KTH
Beviljat anslag:
30 000 000 kronor under fem år
Supraledare kallas material som kan leda elektrisk ström utan motstånd. Fenomenet upptäcktes redan i början av 1900-talet i material som kyldes ned nära den absoluta nollpunkten, eller minus 273 grader Celsius. Långt senare upptäcktes samma fenomen i andra material men vid betydligt högre temperaturer.
I dag finns etablerade förklaringsmodeller för supraledning nära absoluta nollpunkten i många material. Men när det gäller supraledning i högre temperaturer så räcker inte de klassiska modellerna.
– Vi står och stampar inom forskningen kring supraledning. Vi behöver nya verktyg för att kunna komma vidare, säger Oscar Tjernberg, professor i kvantmaterial vid KTH.
Elektroner bildar par
Förklaringen till supraledning nära den absoluta nollpunkten finns inom kvantmekaniken. Där bidrar den låga temperaturen till att skapa ett kvanttillstånd hos elektronerna som får dem att uppträda synkroniserat två och två, i så kallade Cooperpar.
Trots att elektronerna borde stöta bort varandra hålls de samman av vibrationer hos atomerna. Men vid högre temperaturer så finns inte samma slags bindning i vissa supraledare. Ändå bildar elektronerna par – och ingen vet riktigt varför.
– Det är väldigt frustrerande att vi i över fyrtio års tid försökt förstå hur detta fungerar men inte lyckats. Mycket pekar på att det är helt andra mekanismer som ligger till grund för bindningen, vilket också gör det väldigt lockande att försöka förstå, säger han.
Projektet som leds av Oscar Tjernberg tar avstamp i tidigare forskning där Tjernbergs forskargrupp utvecklade en teknik för att följa hur enskilda elektroner kan röra sig genom ett material. Med hjälp av extremt korta ljuspulser, så korta att de mäts i skalan femtosekunder, kunde de följa samspelet mellan elektroner och atomkärnor.
– Nu har vi byggt om vårt system, bland annat med hjälp av en annan typ av detektor, för att kunna lära oss mer om hur elektronerna parar ihop sig.
Att det är möjligt att detektera och karaktärisera de båda elektronerna i Cooper-paret samtidigt föreslogs teoretiskt redan för två decennier sedan. Men det har visat sig mycket svårt att konstruera den anläggning som krävs för att lyckas på experimentell väg.
– Det är ett väldigt besvärligt experiment att göra och sannolikheten att detektera ett elektronpar är mycket låg. Tidigare uppskattades det att det skulle ta 100 år att göra en mätning, vilket är en del av förklaringen till att så få andra har försökt.
Internationell kapplöpning
Oscar Tjernberg har dock gott hopp eftersom teamet har utvecklat en teknik som kan mäta mycket små energiskillnader. Med den kan de tydligare identifiera elektronpar som har exakt samma energi. Ju precisare mätningen är, desto fler elektroner kan både skapas och sorteras.
Samtidigt är Tjernbergs grupp inte ensamma om att sträva mot samma mål. Minst två andra forskargrupper i världen har dragit samma slutsatser och bygger upp liknande experiment.
– Det är ju positivt ur det perspektivet att vi alla vill öka förståelsen för supraledning. Men det gör det också till lite av en tävling och sätter en blåslampa på oss att arbeta snabbare.
Tidspressen gör motgångar i arbetet extra stressande. Bara en dryg vecka innan vårt besök i labbet drabbades det av en vattenläcka. En av kopplingarna till kylvattnet sprang läck och vattnet sprutade över utrustningen. Som tur var höll det mesta av den känsliga elektroniken.
– Innan dess drabbades vi tyvärr av ett strömavbrott som skadade delar av utrustningen. Egentligen skulle vi redan ha börjat med de första testerna för att se om vår idé kan fungera. Nu får vi vänta lite längre på resultaten.
Sortera bland teorierna
Om de lyckas kan den nya anläggningen ta forskningen ett steg närmare lösningen på gåtan med supraledning vid höga temperaturer. Det finns olika teorier om fenomenet. En av de ledande är att magnetiska svängningar skapar en attraktiv kraft som binder samman elektronparen.
– Vi hoppas kunna bidra med mer information för att göra det möjligt att sortera bland teorierna och minska antalet förklaringar. Vårt mål är att komma närmare en teoretisk bild av hur de här supraledarna fungerar.
Till sin hjälp har han Wallenberg Academy Fellow Yasmine Sassa, expert på kvantmaterial, med tidigare erfarenhet av den typ av elektrondetektion som krävs. Dessutom deltar Egor Babaev, professor i teoretisk fysik, som är en av de ledande teoretikerna i världen kring supraledning.
– Tillsammans har vi en stark kunskap och erfarenhet. Både Egor och Yasmine har separata stöd från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse som skapar positiva synergier. Det behövs när vi arbetar i ett fält med stark internationell konkurrens.
Drömmen vore att återskapa de supraledande egenskaperna vid rumstemperatur.
– Den heliga graalen vi alla söker är supraledare som inte kräver kylning. Men för tillämpningar behöver de också kunna tillverkas i volym och av allmänt tillgängliga material som inte är giftiga. Så det är mycket som ska falla på plats innan vi når dit.
Text Magnus Trogen Pahlén
Bild Magnus Bergström
