KTH-forskare bryter ny mark inom fysiken
– belägg för en tredje typ av supraledare
Åtta år efter Nobelpriset i fysik för forskningen kring supraledare visar det sig att det finns en tredje klass av supraledare som skiljer sig från de två tidigare klasserna typ I och typ II. Upptäckten, som har gjorts av Egor Babaev och hans forskargrupp på KTH, presenteras i det senaste numret av den erkända forskningstidskriften Physical Review.
Tåg som leviterar i ett magnetfält skapat av supraledande magneter. Det låter som science fiction. Men det är ett av flera experiment med så kallad supraledarteknik som görs på flera platser i världen idag. I Japan har så kallade magnettåg (magnetic levitation trains) uppnått över 580 kilometer i timmen.
– Denna upptäckt har stor betydelse för en rad tekniska tillämpningar. Inom sjukvården används supraledare i magnetkameror för att ta detaljerade bilder av kroppen. I USA används de i kraftledningar för att leda ström utan värmeförluster, säger Egor Babaev, biträdande professor vid avdelningen för statistisk fysik på KTH.
Supraledare är elektriska ledare som saknar resistans (motstånd) vid mycket låga temperaturer nära den absoluta nollpunkten, -273,15 °C). Det innebär att det inte sker några som helst energiförluster när man skickar en ström genom materialet. Tidigare forskning delar in supraledare i två klasser beroende på deras magnetiska egenskaper. Men nu visar Egor Babaev och hans forskargrupp att det finns en tredje klass av supraledare, som man kallar Typ-1.5, som inte förefaller tillhöra någon av de två klasserna.
Den första klassen av supraledare, som upptäcktes redan 1911 (det är alltså hundraårsjubileum för supraledaren i år), kallas Typ-I. Den tränger ut svagare magnetfält, medan starkare magnetfält ger upphov till så kallade makroskopiska regioner där materialet inte längre är supraledande. Runt dessa regioner flödar så kallade superströmmar av supraledande elektroner.
Möjligheten för en andra klass av supraledare, som kom att kallas Typ-II, förutsågs på 1950-talet förutsade den ryske fysikern Alexey Abrikosov. Denna, som fick namnet typ-II kännetecknas av helt andra magnetiska egenskaper. När dessa material utsätts för magnetfält bildas små kvantvirvlar av elektroner. Abrikosov föreslog ett nytt fysikaliskt tillstånd: en hexagonal ”kristall” av kvantvirvlar – eller gitter – idag känt som ett Abrikosov-gitter, där virvlarna är jämt utspridda i supraledaren. Till en början betraktades många Abrikosovs forskning kring supraledare som teoretisk spekulation, men idag tillhör de flesta nya supraledare som upptäcks just denna kategori.
Uppdelningen av supraledare i de två klasserna Typ-I och Typ-II har länge varit ytterst robust. Under ett halvt sekel sedan Abrikosovs upptäckt har alla nya supraledare kunnat visas tillhöra någon av de två kategorierna. 2003 tilldelades Alexey Abrikosov tillsammans med Vitaly Ginzburg Nobelpriset ”för banbrytande insatser inom teorin för supraledare och supravätskor”. Men åren 2003 och 2005 framförde Egor Babaev och hans kollegor hypotesen att ”supraledare som består av två distinkta populationer av elektroner med olika egenskaper /…/" – så kallade tvåkomponentssupraledare – "/…/ i vissa fall inte tillhör någon av de två kategorierna” (Egor Babaev cond-mat/0302218 och Egor Babaev Martin Speight Phys.Rev. B72 (2005) 180502).
– Hypotesen gick ut på att kvantvirvlar skulle bilda kluster i stället för gitter, som i fallet med Abrikosovs Typ-II-supraledare, säger Egor Babaev.
Enligt Babaev uppvisar de kluster som man har observerat en struktur som inte kan förklaras med de mycket enkla modeller av virvelinteraktion som använts för att förklara exempelvis typ-II-supraledning. Storskaliga datorsimuleringar utförda på KTH av Johan Carlström, Julien Garaud och Egor Babaev (som nu publicerats i Physical Review) visar att interaktionen mellan kvantvirvlarna är icke parvis.
– Det innebär att interaktionsenergin inte bara är summan av interaktionerna mellan par av virvlar, som man tidigare har trott. I stället uppvisar virvlarna i många fall mycket komplicerade interaktioner, säger Egor Babaev.
Animationer som visar några av de simuleringar Egor Babaev och hans forskargrupp har gjort.
Egor Babaev är KVA-forskare, en av de tolv unga framstående forskare som 2008 fick femåriga forskartjänster via Kungliga Vetenskapsakademien – med medel från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse – för att få möjlighet att ägna en större del av sin tid åt forskning.
Läs mer om Egor Babaev och hans forskargrupp.
Läs hela Egor Babaevs och hans forskargrupps artikel i Physical Review
Håkan Soold