Hvad skyldes den store interesse for superledning?

MED spændt forventning har eleverne i laboratoriet sluttet kreds om bordet for at betragte forsøgets gang. I et lavt bæger af polystyrenskum („flamingo“) ligger en pille, på størrelse med en lille knap, fremstillet af et sort stof. Oven på denne pille er anbragt et endnu mindre stykke metal. Forsigtigt begynder en elev at hælde en dampende væske ud i bægeret, lidt ad gangen.

Væsken syder kraftigt i det øjeblik den kommer i kontakt med bægeret, men snart er alt stille igen. Så med ét begynder det lille metalstykke at dirre som om det dansede. Og pludselig hæver det sig op fra det sorte stof og svæver frit i luften! Eleven fører en løkke af tråd hen omkring det svævende metalstykke. Ingen fiduser, ingen kunstgreb — metalstykket svæver af sig selv!

Dette forsøg, der skal demonstrere hvordan superledning virker, blev udført af en gruppe elever på et gymnasium i Californien. Blot et år eller to tidligere kunne et sådant eksperiment kun foretages i førende forskningslaboratorier der rådede over avanceret udstyr og tilstrækkelige midler. At det i dag også er muligt for gymnasieelever at udføre dette forsøg, viser hvor hurtigt udviklingen sker på dette område.

I maj 1987 stod der på forsiden af bladet Time: „Superledere! — det forbløffende gennembrud der kan forandre verden.“ Bladet Newsweek kaldte det „En ny elektrisk revolution“. Og bladet Life behandlede emnet under overskriften „Fast-food-fysik“, for dermed at antyde hvor hurtigt der sker fremskridt inden for dette område. Men hvad er superledning? Og hvorfor har det så stor interesse?

Et længe søgt ideal

Nogle stoffer har større elektrisk ledningsevne end andre. Materialer som glas og porcelæn er slet ikke ledende. Derimod er metaller som kobber, guld og platin gode ledere fordi de yder forholdsvis ringe modstand mod den elektriske strøm. Når et stof eller et materiale bliver superledende befinder det sig i en idealtilstand hvor al elektrisk modstand er forsvundet — hvilket betyder at elektriciteten kan strømme uhindret, uden energitab.

Forskerne har længe gjort sig tanker om de vældige muligheder industriel anvendelse af et sådant ideelt, superledende materiale vil indebære. For eksempel vil det være muligt ved hjælp af superledere at transportere el-kraft over store afstande uden det enorme energitab der forekommer i almindelige højspændingsnet som følge af de anvendte materialers elektriske modstand, og det vil ikke længere være nødvendigt at opretholde de mange uskønne og kostbare luftledningsanlæg der skærer gennem landskabet på kryds og tværs. Ved at bruge superledende materialer vil man også kunne konstruere kompakte superdatamater hvis regnehastigheder langt vil overstige det der hidtil har været muligt. Desuden besidder superledere særlige magnetiske egenskaber der vil kunne udnyttes i en ny generation af stærke elektromagneter som vil gøre det praktisk muligt at videreudvikle skannere til medicinsk brug, hurtigtog der svæver på magnetfelter, store partikelacceleratorer, og anlæg til udnyttelse af fusionsenergi.

Skønt dette alt sammen virker fascinerende er der en hage ved det. Forskerne har i mere end trekvart århundrede været klar over at visse metaller kan blive superledende når blot de nedkøles til ekstremt lave temperaturer — det vil sige til mere end 200 grader under frysepunktet. I 1911 blev den hollandske fysiker Heike Kamerlingh Onnes som den første opmærksom på eksistensen af superledere. Han havde netop fundet frem til en teknik hvorved man kan fortætte luftarten helium til væske — for hvilket han i 1913 modtog nobelprisen — og var i færd med at undersøge hvordan forskellige metaller opfører sig ved meget lave temperaturer. Helt uventet opdagede han at kviksølv mister sin elektriske modstand ved ÷269° C, eller 4 K — fire grader over det forskerne betegner som det absolutte nulpunkt på Kelvinskalaen.a

Skønt superledning blev opdaget ved et rent tilfælde blev man snart opmærksom på de muligheder der lå i at udnytte dette fænomen. Den ekstremt lave overgangstemperatur hvor stoffet bliver superledende, var imidlertid en alvorlig forhindring, eftersom det er temmelig kostbart og meget vanskeligt at arbejde ved så lave temperaturer. Anvendelsesmulighederne var således stærkt begrænsede. I de følgende årtier eksperimenterede forskerne derfor med andre materialer i håb om at finde nogle der blev superledende ved højere temperaturer. Men der skete kun langsomme fremskridt.

I årenes løb har man imidlertid også opdaget andre egenskaber ved superlederne. En af de vigtigste blev opdaget i 1933. Det viste sig at en superleder fortrænger ethvert magnetfelt, og derfor enten frastøder eller frastødes af magnetfeltet. Det var dette fænomen, som også kaldes Meissner-effekten, der fik det lille metalstykke til at svæve i det eksperiment vi omtalte i begyndelsen af artiklen. Denne opdagelse førte til en fornyet indsats for at finde frem til materialer med superledende egenskaber ved højere temperaturer. Forskningen gik dog stadig fremad med sneglefart. Så sent som i 1973 var det bedste man havde fundet en metallegering der blev superledende ved 23 K, eller ÷250° C, hvilket stadig var for lav en temperatur til at man med fordel kunne anvende denne superleder industrielt. Derefter stod forskningen næsten stille i godt ti år.

Temperaturen stiger!

Begivenhederne tog imidlertid en ny drejning da to forskere ved IBM-laboratoriet i Zürich kom på den tanke at når andre forskere ikke havde nævneværdige resultater var det muligvis fordi de forsøgte sig med det forkerte materiale. Indtil da havde de fleste eksperimenteret med metaller og legeringer. „Jeg blev overbevist om at man ikke kunne komme videre ad den vej,“ siger Alex Müller, en af de to forskere.

I 1983 begyndte Alex Müller og hans medarbejder Georg Bednorz at eksperimentere med metaloxider. I begyndelsen af 1986 tog de for første gang i mange år et væsentligt skridt fremad. De fandt at et materiale bestående af barium, lantan, kobber og ilt blev superledende allerede ved 35 K, eller ÷238° C. Da disse resultater blev offentliggjort i september 1986 vakte de derfor stor forbavselse i forskerkredse. Det materiale forskerne i det schweiziske laboratorium arbejdede med var af keramisk karakter og virkede normalt som en isolator — derfor havde ingen regnet med at det største gennembrud på området i flere årtier skulle komme fra den kant.

Denne begivenhed udløste en hektisk forskningsaktivitet verden over, og rapport fulgte efter rapport. I februar 1987 fandt en forskergruppe ved Houstons universitet, under ledelse af C. W. Chu, frem til et materiale der bliver superledende allerede ved 93 K, eller ÷180° C. Dette materiale svarede til Müllers, man havde blot udskiftet alle ioner af lantan med ioner af yttrium, en anden af de såkaldte sjældne jordarter.

Denne opdagelse markerede begyndelsen til et nyt kapitel om superledning ved højere temperaturer. Indtil da havde man været nødt til at anvende flydende helium for at afkøle de undersøgte materialer tilstrækkeligt, til de nåede overgangstemperaturen, hvilket gjorde hele processen meget kostbar og kompliceret. Med de nyopdagede materialer kan man nu foretage nedkølingen med flydende kvælstof, der kondenserer ved 77 K eller ÷196° C. Flydende kvælstof er let tilgængeligt, koster omtrent det samme som mælk og kan anvendes uden brug af kompliceret udstyr. Dette har, sammen med det at oxidmaterialerne også er billigere og lettere at fremstille, i høj grad medvirket til at give forskningen i superledning et skub fremad.

Det endelige mål er naturligvis at finde et materiale der er superledende ved stuetemperatur, hvorved behovet for køling vil forsvinde. Og det er netop hvad forskere over hele verden ihærdigt søger efter. Der er allerede begyndt at fremkomme rapporter om „flygtige spor“ af superledning ved stuetemperatur.

I slutningen af maj 1987 slog Chu og hans gruppe deres egen rekord. De fandt frem til en lille portion af et stof der blev superledende, om end kun kortvarigt, ved en temperatur på 225 K eller ÷48° C. „Man kan iagttage [fænomenet] et øjeblik,“ fortæller Pei-Heng Hor, en af medarbejderne på forskerholdet, „derefter forsvinder det igen, men [forsøget] kan gentages.“ En anden forskergruppe fra University of California i Berkeley har rapporteret om forekomst af superledning ved 292 K eller ÷19° C, i et materiale man arbejdede med. Resultatet kunne imidlertid ikke efterprøves ved yderligere forsøg.

Venter guldalderen forude?

Alle de spændende nyheder om superledende materialer har givet mange det indtryk at vi nu står på tærskelen til en ny tidsalder, en teknologisk guldalder. Vor tilværelse vil blive forandret, mener de, på samme måde som den er blevet forandret af tidligere tiders store opfindelser, som for eksempel af det elektriske lys og af transistoren. Men er det rigtigt at vi står umiddelbart over for at kunne udnytte alle de vidunderlige muligheder man mener superlederne vil åbne for os?

Først og fremmest må vi „skaffe os en langt dybere grundvidenskabelig forståelse før vi vil være i stand til at gøre almen brug af superledning,“ siger Erich Bloch, der er leder af De Forenede Staters Nationale Videnskabelige Fond. Forskerne har ikke indtil videre kunnet fremlægge endegyldige svar på hvorfor de kunstigt frembragte keramiske materialer virker som de gør.

Af den grund mener mange eksperter at der sandsynligvis vil gå adskillige år før superlederne kan anvendes i praksis uden for laboratorierne. „Der ligger store muligheder gemt i disse materialer, men den tidsplan nyhedsmedierne har opstillet er forkert,“ udtaler en forsker fra USA’s Nationale Standardiseringsnævn. „Der vil gå fem år før man ser dem som tynde film i datamater, og der vil gå op til tyve år før vi ser dem anvendt i større omfang.“

En af vanskelighederne ligger i at de materialer der bliver superledende ved højere overgangstemperaturer ikke er så lette at bearbejde som metal. Disse skrøbelige materialer er heller ikke særlig elastiske, hvilket enhver der har tabt en porcelænstallerken eller en keramikskål vil vide. Hvis superlederne skal kunne anvendes i praksis må de kunne forarbejdes til ledninger og film. Til brug i integrerede elektroniske kredsløb, som dem der anvendes i datamater, må de kunne fremstilles som film med en tykkelse på én mikron. Til fremstilling af vindingerne i motorer og magneter kræves der tynde, fleksible ledninger, og stærkstrømsledninger må ligeledes være fleksible og have stor brud- styrke.

Sagen kompliceres yderligere af at forskerne ikke er sikre på om de superledende materialer er i stand til at bære de store elektriske strømme eller stærke magnetfelter der forekommer i mange tilfælde. Alle superledere har en kritisk grænse. Når denne grænse overskrides bringes de ud af den superledende tilstand. På nuværende tidspunkt er denne grænse forholdsvis lav. Man vil muligvis kunne løse disse problemer, men det sker ikke i morgen.

Men medaljen har også en bagside. Der er allerede tale om at bruge superledere til fremstilling af forskellige strålevåben til brug i rummet! Spørgsmålet er derfor om opdagelsen af superledning vil medføre de velsignelser alle taler om og håber på, eller om den vil blive misbrugt, som det har været tilfældet med andre revolutionerende opdagelser i tidens løb — tænk på krudtet og kernespaltningen. Det er naturligvis et spørgsmål ingen kan svare på i øjeblikket.

[Fodnote]

[Ramme på side 21]

Superledernes anvendelsesmuligheder

„Industrielt anvendelige kvælstofkølede superledere kan spare det offentlige for milliarder og spare så megen energi at mindst 50 kraftværker kan lægges i mølpose,“ hedder det i Business Week. Superledende generatorer og transmissionslinjer til elkraft vil også gøre det muligt at placere flere større kraftværker længere væk fra byerne, så forureningen, omkostningerne og faren begrænses.

Ved hjælp af superledende magneter vil det blive muligt at fremstille tog der svæver på magnetfelter og kører med hastigheder på op til 480 kilometer i timen. Elektriske biler drevet af højeffektive superledende motorer, kan nedbringe forureningen i byerne. Endog skibe kan drives af sådanne motorer.

Superledende mikrochips der virker tusind gange hurtigere end siliciumtransistorer, er allerede under udvikling. Ved hjælp af sådanne chips vil man ikke alene kunne gøre fremtidens datamater hurtigere men også mindre, eftersom de producerer væsentlig mindre varme. Persondatamater vil få lige så stor kapacitet som de såkaldte mainframes vi har i dag.

Såkaldte NMR-skannere (nuclear magnetic resonance scanners) og SQUID-systemer (superconducting quantum interference devices), der bruges til undersøgelse af den menneskelige krops indre tilstand og af hjernens funktion, vil kunne bygges langt billigere og enklere ved anvendelse af de nye superledende stoffer. Dermed vil også almindelige hospitaler og klinikker kunne få råd til at anskaffe dem.

Der ligger store muligheder i anvendelsen af superledere — hvor mange af disse vil blive til virkelighed?

[Kildeangivelse på side 19]

IBM Research