28. juni 2018

Hvordan opstår superledning? – der skal benarbejde til!

Bevilling:

Med en bevilling på 5.662.844 kr. fra Den Frie Forskningsfond, får Brian Møller Andersen, lektor i faststoffysik på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, mulighed for at forsøge at forstå de superledende egenskaber i jernbaserede superledere. Superledning er et fænomen med enormt anvendelsespotentiale, men der er et stykke vej endnu, før det er forklaret. Som så ofte før, skal benarbejdet gøres af forskerne.

I jern-baserede superledere stammer de superledende elektroner fra d-skallen i Fe-atomerne. Dem er der fem af. De vigtigste er de såkaldte xz og yz orbitaler angivet ved hhv de røde og blå kløvere på figuren. Elektronerne har et spin angivet ved pilene, og disse spiller en vigtig rolle for oprindelsen af superledning, mener forskerne. I den superledende tilstand danner elektronerne par, og skaber et slags “elektron-molekyle” som igen skaber grundlaget for den superledende tilstand. I de jern-baserede nye høj-temperatur superledere forekommer denne par-dannelse mellem yz elektronerne, angivet ved de lyseblå ellipsoider i figuren. Det er fortsat et mysterium, hvorfor det netop er disse elektroner der er vigtigst for superledningen.

Brian Møller Andersens forskergruppe arbejder med teoretisk faststoffysik, og mere specifikt forskes der i forskellige materialers elektroniske egenskaber. Projektet, som bevillingen er givet til, koncentrerer sig om materialers magnetiske og superledende egenskaber. I nogle materialer vekselvirker elektronerne kraftigt med hinanden, og en af udfordringerne består i, at man ikke endnu har en god, samlende forklaring på fænomenet. ”Vi mangler en kontrolleret teori, der kvantitativt kan forklare, hvornår der opstår superledning eller magnetisme. De to fænomener burde være ”fjender”, men i nogle systemer skal der eksistere magnetisme, for at superledning kan opstå – og omvendt”, siger Brian Møller Andersen.

Der er lavet masser af eksperimenter allerede, så der findes data at arbejde med, men man mangler altså den samlende forklaring på fænomenet. ”Vores opgave bliver at skabe realistiske modeller for vekselvirkende elektronsystemer, som har superledende orden”, fortæller Brian Møller Andersen.

De magnetiske fluktuationer eller gitter-bevægelser

En elektron har en ladning og et ”spin”. En elektrons spin kan koble til andre elektroners spin. Dermed kan der skabes spin-bølger igennem systemet af elektroner. Det samme gør sig gældende for det atom-gitter, som elektronerne sidder i. Atomerne kan også bevæge sig, og de kan faktisk dermed give anledning til superledning via deres gitter-svingninger. Sidstnævnte er mekanismen for almindelige superledende metaller. Men i dette projekt forfølger forskerne derimod de magnetiske fluktuationer i elektronernes spin som mulig mekanisme for superledning i nye materialer. Man ved, at visse nye materialer intet har at gøre med den ”almindelige” superledende effekt, så det er et nyt felt, Brian Møller Andersens forskergruppe bevæger sig i.

Grundforskning med stort potentiale

Brian Møller Andersen, lektor i forskningsgruppen, Teoretisk Faststoffysik har fået en bevilling på 5.662.844 mio. kr. fra Den Frie Forskningsfond. Foto: Ola Jakup Joensen

For at lave en robust kvantecomputer, dvs. en kvantecomputer, hvor informationen ikke dissiperer eller forsvinder meget hurtigt, går en del af øvelsen ud på at skabe det, man kalder Majorana fermioner – som kun eksisterer i systemer med superledning. Derfor er superledning som fænomen vigtigt i forbindelse med konstruktionen af en kvantecomputer. Flere forskningssektioner på Niels Bohr institutet samarbejder da også på kryds og tværs om disse relaterede temaer. Men det er ikke kvantecomputeren, der sætter dagsordenen i dette projekt, understreger Brian Møller Andersen. ”Vores opgave er at forstå superledning som fænomen. Der er naturligvis et utal af anvendelsesmuligheder for superledning i sidste ende, men det er grundforskning, der bestemmer vores dagligdag”, siger han.

Højtemperatursuperledning og multiorbitale systemer

Højtemperatursuperledning, som er endnu et element i projektet, er ikke i sig selv et nyt felt. Det nye i bevillingen fra Den Frie Forskningsfond, er målet om at lave en realistisk model for multiorbitale systemer. En elektron er nemlig ikke blot en elektron. Elektroner kan være i forskellige, orbitale tilstande, og dermed have forskellig, rumlig udstrækning. Hvis man kommer ud i en d-skal er der fx fem forskellige elektroner, som har en forskellig rumlig udstrækning. ”Den multiorbitale effekt viser sig at være en ny effekt for de materialer vi studerer, nemlig de jernbaserede superledere. Vi er ret overbeviste om, at der vil være nye, spændende vekselvirkninger, som kan skabe nye former for superledning, når vi får lejlighed til at dykke dybere ind i materialet. Det er dét, der er målet for dette projekt”, fortæller Brian Møller Andersen.

Projektet rummer mulighed for at ansætte en postdoc i tre år, samt en PhD studerende. Det inkluderer desuden et meget vigtigt gæsteprogram, hvor topforsker Peter J. Hirschfeld fra University of Florida allerede er inviteret til at arbejde sammen med faststoffysik sektionen i et halvt år her i København.

Brian Møller Andersen, Lektor ved forskergruppen Condensed Matter Physics ved X-ray and Neutron Science, Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, Telefon: +45 35 32 04 19 Email: bma@nbi.ku.dk