Supraledning — Vad är det som är så fantastiskt med det?

INUTI vad som liknar den nedre halvan av en kaffekopp av frigolit ligger en kula av något svart material i storlek som en liten knapp. Ovanpå kulan ligger ett ännu mindre stycke metall. Försiktigt häller en elev en rykande vätska ner i koppen, lite åt gången. Alla runt bordet ser på med spänt intresse.

Först fräser vätskan våldsamt när den rinner ner i koppen. Snart lugnar det ner sig, och luften blir stilla. Sedan börjar det lilla metallstycket skälva som om det utförde en liten dans. Plötsligt lyfter det sig från kulan och svävar i tomma luften! Eleven tar en trådögla och för den fram och tillbaka så att metallbiten passerar genom den. Inga trick, inga konster — metallbiten svävar!

Detta var ett experiment med supraledning som utfördes av en grupp elever vid en gymnasieskola i Kalifornien. För bara ett eller ett par år sedan kunde ett sådant experiment endast utföras i avancerade forskningslaboratorier med sofistikerad utrustning och till stora kostnader. Att gymnasieelever gör det här i dag är ett tecken på hur snabbt utvecklingen sker inom det här området.

Tidskriften Time hade i maj förra året en huvudartikel med rubriken: ”Supraledning! — Det fantastiska genombrottet som kan förändra vår värld”. I Newsweek kallades det ”En ny elektrisk revolution”. I tidskriften Life förekom rubriken ”Snabbfysik”, vilket anspelar på hur snabbt saker och ting förändras inom det här området. Vad är då supraledning? Och vad är det som är så fantastiskt med det?

Ett länge eftersträvat idealtillstånd

Ledningsförmåga definieras som måttet på ett ämnes förmåga att leda en elektrisk ström. De flesta vet att material som glas och porslin inte leder elektricitet. Å andra sidan är metaller som koppar, guld och platina goda ledare, eftersom de har ett relativt litet motstånd mot den ström som passerar genom dem. Supraledning är frånvaron av allt elektriskt motstånd i ett ämne — det idealiska tillstånd då elektricitet flödar obehindrat och utan energiförlust.

Forskare har länge föreställt sig de enorma möjligheter som ett sådant idealiskt material — en supraledare — skulle innebära. Kraftledningar gjorda av supraledare skulle till exempel inte bara eliminera de enorma energiförlusterna på grund av motståndet i konventionella ledningar, utan också de fula och kostsamma kraftledningar som skär kors och tvärs genom landskapet. Supraledare skulle göra det möjligt att bygga mycket små superdatorer som arbetar i hastigheter som hitintills inte har varit möjliga. De ovanliga magnetiska egenskaperna hos supraledare skulle kunna leda till en ny generation kraftfulla elektromagneter, som skulle kunna möjliggöra sådana experimentella produkter som medicinska scanners, svävande höghastighetståg, jättestora partikelacceleratorer och till och med fusionsenergi.

Det här är mycket fascinerande, men det finns en hake. I mer än 75 år har forskare vetat att vissa metaller uppvisar supraledande förmåga, men bara när de kyls ner till extremt låga temperaturer, hundratals grader under fryspunkten. Det var år 1911 som en holländsk forskare, Heike Kamerlingh-Onnes, upptäckte supraledningen. Han hade just utarbetat en teknik för att omvandla gasen helium till vätska, och han höll på att undersöka vilken verkan låga temperaturer har på olika metaller, något som han fick nobelpriset för 1913. Oväntat fann han att kvicksilver förlorade all elektrisk resistans vid omkring −269 °C eller 4 K, fyra grader över det som vetenskapsmännen kallar den absoluta nollpunkten på kelvinskalan.a

Även om förmågan till supraledning upptäcktes av en slump insåg man snart dess värde. Den extremt låga temperatur, den så kallade övergångstemperaturen eller kritiska temperaturen, vid vilken material blev supraledande var ett stort handikapp. Den höga kostnad och de svårigheter som var förbundna med att arbeta vid så låga temperaturer begränsade det praktiska värdet. Under de följande årtiondena experimenterade forskarna med andra material i förhoppning om att finna något som blev supraledande vid högre temperaturer. Men framstegen lät vänta på sig.

Under åren kom dock andra egenskaper hos supraledarna i dagen. En av de viktigaste, som upptäcktes år 1933, var att när en supraledare placeras i ett magnetfält tillåter den inte något av det magnetiska flödet att passera genom den, utan den stöter bort eller låter sig stötas bort av magnetfältet. Detta fenomen, som kallas Meissnereffekten, är orsaken till att metallstycket svävade i experimentet i gymnasieskolan. Upptäckten ledde till förnyade ansträngningar i sökandet efter supraledare vid högre temperaturer. Men framstegen gick fortfarande med snigelfart. Så sent som år 1973 var det bästa man hade funnit en viss metallegering som blev supraledande vid 23 K (−250 °C), en temperatur som fortfarande är för låg för att vara av praktiskt värde. Och under de följande cirka tolv åren stod det hela praktiskt taget helt stilla.

Temperaturen stiger!

Saken tog en ny vändning när två forskare vid IBM:s forskningslaboratorium i Zürich i Schweiz kom på tanken att orsaken till att andra forskare inte hade någon större framgång kanske var att de tittade på fel sorts material. Fram till dess hade den mesta forskningen skett med metaller och legeringar. ”Jag blev övertygad om att man inte kunde göra några ytterligare framsteg på den vägen”, sade Alex Müller, en av de två forskarna.

Müller och hans partner, Georg Bednorz, började år 1983 experimentera med metalloxider. I början av 1986 hade de åstadkommit det första större steget framåt på många år — en supraledare vid 35 K (−238 °C) — med hjälp av en förening av barium, lantan, koppar och syre. När nyheten slutligen publicerades i september 1986, togs den vetenskapliga världen med överraskning. De material som forskarna i det schweiziska laboratoriet hade använt — keramiska material — var i vanliga fall isolerande, och ingen trodde att det var här den största framgången på flera årtionden skulle komma. För sin upptäckt fick de båda 1987 års nobelpris i fysik.

Nya rekord avlöste varandra i snabb följd. I februari 1987 upptäckte ett lag lett av C. W. Chu vid University of Houston i Texas i USA supraledning i ett material vid den rekordhöga temperaturen 93 K (−180 °C) genom att byta ut lantanet i Müllers förening mot yttrium (namnet efter Ytterby vid Vaxholm), en annan av de så kallade sällsynta jordartsmetallerna.

Denna bedrift inledde ett nytt kapitel i forskningen om supraledning vid hög temperatur. Fram till dess hade man behövt använda flytande helium för att tillräckligt kunna kyla ner de material man studerade — en mycket dyr och komplicerad process. I och med den nya upptäckten kunde man nu använda flytande kväve, som har kokpunkten 77 K (−196 °C). Det är lätt att få tag på flytande kväve, det kostar bara ungefär lika mycket som mjölk, och det kan hanteras utan alltför komplicerad utrustning. Detta tillsammans med att oxiden också är billig och lätt att framställa har spelat en viktig roll i att ge forskningen om supraledning en skjuts framåt.

Målet är naturligtvis en supraledare vid rumstemperatur, utan att någon kylning behövs, och forskare världen runt kämpar hårt för att nå detta mål. Faktum är att det har börjat strömma in rapporter om att man kan ”skymta” supraledning vid rumstemperatur.

I maj 1987 hade Chu och hans grupp förbättrat sitt eget rekord. De fick fram en liten del av ett material som blev supraledande vid 225 K (−48 °C), men bara då och då. ”Man kan se det en gång”, sade Pei-Heng Hor, en medlem av arbetsgruppen, ”sedan försvinner det efter en stund, men man kan få se det igen.” En annan grupp, vid University of California i Berkeley i Kalifornien, rapporterade om supraledning vid 292 K (−19 °C) i ett material som de arbetade med, men de kunde inte upprepa resultatet.

Guldåldern strax här?

Alla de spännande nyheterna om supraledare har gett många människor intrycket att vi nu står på tröskeln till en ny era, en teknologisk guldålder. De menar att vårt liv kommer att förändras ungefär på samma sätt som det gjorde i och med tidigare uppfinningar, sådana som det elektriska ljuset och transistorn. Ligger alla de underbara saker som supraledare skall kunna möjliggöra verkligen så nära i tiden?

För det första ”måste vi uppnå en mycket fullständigare vetenskaplig förståelse innan vi kan börja använda supraledare i stor skala”, framhöll Erich Bloch, chef för Förenta staternas nationella vetenskapliga stiftelse. Forskare har ännu inte lyckats ge bestämda svar på frågan varför människogjorda keramiska material har de egenskaper som de har.

Därför anser många experter att det troligen kommer att ta flera år innan supraledarna lämnar laboratorierna och får en praktisk användning. ”De här materialens möjligheter är stora, men den tidtabell som har ställts upp är felaktig”, säger en forskare vid nationella standardiseringsverket i USA. ”Det kommer att ta fem år innan vi får se dem på tunn film i datorer och upp till tjugo år innan vi får se dem användas i stor skala.”

Ett hinder är att de material som blir supraledande vid höga temperaturer inte kan formas eller bearbetas så som metaller kan. De här sköra materialen kan inte heller böjas lätt, vilket alla förstår som någon gång har tappat en tallrik av porslin eller keramik. Men för att supraledarna skall kunna användas i praktiska tillämpningar måste de framställas i form av tråd och film. I till exempel datorer och integrerade elektroniska kretsar måste de tillverkas i form av film som endast är en bråkdel av en tusendels millimeter tjock. Motorer och magneter kräver tunna, böjliga trådar i lindningarna, och kraftledningar måste vara starka och böjliga.

Något som ytterligare komplicerar det hela är att forskarna inte är säkra på om de supraledande materialen kan leda de stora elektriska strömmar eller magnetfält som många tillämpningar kräver. Alla supraledare har en tröskel ovanför vilken de förlorar sin supraledande förmåga. För närvarande är den tröskeln relativt låg. Det är mycket troligt att alla dessa problem kan lösas, men inte i morgon.

Det finns dock en mer illavarslande sida av saken. Det talas redan om att använda supraledare i vapen som bygger på användning av partiklar eller riktad energi i rymdkrigföring! Kommer supraledarna att visa sig bli den välsignelse som alla säger och hoppas, eller kommer det att bli med dem som med andra revolutionerande uppfinningar i det förgångna — till exempel krutet och klyvningen av atomkärnan? Det är en fråga som av allt att döma ingen är beredd att besvara.

[Fotnot]

[Ruta på sidan 21]

Supraledarnas möjligheter

”Kvävekylda supraledare kan spara samhället miljarder — och spara tillräckligt med energi för att man skall kunna lägga minst 50 kraftverk i malpåse”, sägs det i tidskriften Business Week. Supraledande generatorer och kraftledningar kan också innebära kraftfullare kraftstationer som ligger längre bort från städer, vilket kunde minska föroreningarna, kostnaderna och farorna.

Tåg som svävar med hjälp av magnetfält och som har hastigheter på upp till 500 kilometer i timmen kan förverkligas genom lätta supraledande magneter. Elektriska bilar som drivs av effektiva supraledande motorer skulle kunna skära ner luftföroreningarna i tätorter. Till och med fartyg kan drivas av sådana motorer.

Supraledande mikrochips som är tusen gånger snabbare än kiseltransistorer håller redan på att utvecklas. Med hjälp av sådana chips kommer framtida datorer inte bara att bli snabbare, utan på grund av att de alstrar mycket mindre värme kommer de också att kunna göras mindre. Datorer som ryms på skrivbordet kommer att bli lika kraftfulla som dagens stordatorer.

NMR (nuclear magnetic resonance scanner) och SQUID (superconducting quantum interference device) är apparater som kan ge detaljerade upplysningar om människokroppen och hjärnans verksamhet. Den minskade kostnaden och den förenkling som blir följden när supraledare används kan göra det lättare för vanliga sjukhus och kliniker att skaffa sådan utrustning.

Supraledarnas möjligheter är stora. Hur mycket av dem kommer att förverkligas?

[Bildkälla på sidan 19]

Foto: IBM Research