Ny experimentell metod för att studera supraledare

– Det är en experimentell utmaning som ingen lyckats med tidigare och det är lite hybris att tro att vi ska klara av det. Men vi siktar högt och får se hur det går. Det är ett ganska djärvt projekt, säger Oscar Tjernberg som är professor i kvantmaterial vid KTH. 

Kvantfenomenet supraledning har sedan de upptäcktes 1911 gett upphov till flera Nobelpris. Fenomenet uppstår när elektronerna i materialet bildar par, så kallade Cooper-par, som kondenserar till en kvantvätska som leder ström helt utan motstånd. Det motsäger vad som normalt sker i en ledare där elektronerna alltid sprids och avger energi som blir till värme. Supraledarnas fördelaktiga egenskaper gör att de redan i dag används inom ett mängd områden, som medicinsk teknik och exempelvis magnetresonanstomografi, MR, samt inom IT- och elkraft.

De flesta supraledare kräver kylning till väldigt låga temperaturer, några grader över den absoluta nollpunkten (-273 Celsius), men 1986 upptäcktes högtemperatursupraledare, som förblir supraledande vid temperaturer upp till cirka 100 grader över absoluta nollpunkten.  

Mycket är dock fortfarande okänt när det gäller högtemperatursupraledare och de mekanismer som ligger till grund för supraledningen är fortfarande till stor del ett mysterium.  

Nu vill Oscar Tjernberg och hans medarbetare utveckla en ny typ av elektronspektroskopianläggning på KTH för att se om de kan detektera Cooper-paren och studera deras egenskaperna hos högtemperatursupraledarna. Förhoppningen är att förstå mekanismerna bakom elektronparens bindning, som i dag är okända. 

– Vi vill kunna studera paren men har inte haft tekniken för att göra det. Fram tills nu har vi enbart kunnat studera enskilda elektroner och inte båda elektronerna i ett par. Vi vill kunna detektera och karaktärisera båda elektronerna i Cooper-paret samtidigt och det tror vi att vi kan göra med den teknik som vi nu ska utveckla, säger han. 

Nya och förbättrade supraledare

I vanlig fotoelektronmikroskopi som hittills använts för att studera supraledare leder absorption av en foton (ljuspartikel) till emission av en enstaka elektron vilket begränsar det vi kan lära oss om elektronparen.

Det Tjernbergs grupp nu ska bygga upp och har döpt till Cooper-par-spektroskopi har förutspåtts vara möjligt rent teoretiskt men inte kunnat utföras experimentellt hittills. Forskarna hoppas kunna använda en process där en foton kan leda till att båda elektronerna i ett Cooper-par emitteras. 

Projektet är väldigt utmanande eftersom emission av Cooper-par endast sker med en väldigt låg sannolikhet och det är därför lite som att leta efter en nål i en höstack. Forskarna bedömer dock att den anläggning som ska byggas vid KTH kommer att möjliggöra experimentet. 

I förlängningen skulle denna grundforskning kunna leda till nya och förbättrade supraledare som möjligör nya tillämpningar.

– Om vi förstår hur högtemperatursupraledare fungerar kanske vi skulle kunna designa material som kan fungera vid rumstemperatur. Ett sådant material med egenskaper som gör att man kan tillverka tråd och kabel skulle få enorma mängder tillämpningar. I framtiden kan då exempelvis supraledande kabel överföra stora mängder el över långa sträckor, men det krävs mycket forskning innan vi är där, säger Oscar Tjernberg.

Text Sabina Fabrizi, KTH
Bild Magnus Glans