Ny metod stärker supraledare

Idag står digitala enheter, datacenter och informations- och kommunikationstekniska nätverk (IKT) för ungefär 6 till 12 procent av den globala elanvändningen. Det gör att supraledande material har pekats ut som en möjlig väg till mer energieffektiv elektronik. Till skillnad från konventionella ledare kan de leda elektricitet utan förluster i form av värme, vilket i princip minskar värmeutveckling och energibehov i elektroniska system.

Samtidigt har vägen till praktisk användning varit begränsad. Många supraledande material kräver mycket låga temperaturer, ofta omkring minus 200 grader Celsius, och förlorar dessutom sin funktion i starka magnetfält.

För att kunna användas i elektronik utanför laboratoriemiljöer behöver materialen därför både fungera vid högre temperaturer och tåla magnetiska miljöer bättre än i dag.
I den nya studien, publicerad i Nature Communications, har forskare vid Chalmers prövat ett annat angreppssätt än det vanliga. I stället för att ändra den kemiska sammansättningen i själva det supraledande materialet har de riktat in sig på ytan under materialet, det substrat som fungerar som bärare när tunna filmer växer fram.

– 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, säger Floriana Lombardi, professor i kvantkomponentfysik på Chalmers och försteförfattare till studien i Nature Communications.

Forskarna använde ett kopparoxid-baserat material ur familjen kuprater, en välkänd grupp högtemperatursupraledare. Materialet i studien är bara några nanometer tjockt och måste därför placeras på ett underlag som styr hur filmen växer.

– 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, säger Erik Wahlberg, forskare vid Rise och medförfattare till studien.

Forskarna beskriver resultaten som en möjlig ny designprincip för framtida supraledande material. Tanken är att förbättra egenskaperna genom att styra strukturen i underlaget, snarare än att leta efter helt nya material eller försöka förändra kemin i de befintliga.
På sikt kan metoden bli relevant för komponenter inom energieffektiv elektronik, kvantteknik och andra system där starka magnetfält är en del av användningsmiljön. Det återstår dock att visa hur generell principen är och hur långt den kan drivas mot temperaturer som är praktiskt användbara i större tekniska system.

– 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.