Superledere og spinn

Magnetfelt påvirker strømmen som går gjennom superledere. Dette fenomenet kan utnyttes til bedre kraftoverføringsnett, og til enda mindre og kraftigere mikroprosessorer.

Publisert

Ved å sette på et magnetfelt, kan strømmen i en superleder styres. Magnetfeltet vil trenge inn i superlederen og påvirke den elektriske strømmen.

Oksider har vist seg som det beste utgangspunktet for å lage materialer som er superledende ved høyre temperaturer.

I superledningssammenheng vil det si varmere enn - 220 grader celsius som er temperaturen da nitrogen blir flytende.

Kjøling med nitrogen er langt billigere enn med helium, som brukes ved lavere temperaturer.

De beste kobberoksidene er superledere ved -130 grader celsius, mens de mest vanlig brukte superledermaterialene ytrium-barium-oksider er superledende opp til -220 grader celsius.

Bøyelig

Kabelselskapet Nexans har utviklet superledende strømkabler som kjøles med nitrogen og som nå testes i USA.

Selskapet i Halden har greid å lage en bøyelig kabel av det superledende materialet som er sprøtt og lett brekker i stykker.

- Superledere er viktige elementer for å få mer ren energi. I dag tapes 30 prosent av energien i overføringslederne. Da er det bedre å legge nye overføringsnett med superledende materiale og spare vannet i magasinene.

"Professor Asle Sudbø vil bidra til superledende kabler og elektronikk med grunnleggende forskning på metalloksider."
"Professor Asle Sudbø vil bidra til superledende kabler og elektronikk med grunnleggende forskning på metalloksider."

- Superledende materialer i overføringsledningene er mye nærmere en realitet enn hydrogen, sier professor Asle Sudbø ved NTNU.

Du kan lese mer om superledende hydrogen i denne artikkelen.

Sudbø leder Nanomat-prosjektet “Nationally Coordinated Project in Oxides for Future Information and Communication Technology”.

Prosjektet spenner fra grunnforskning på oksiders grunnleggende egenskaper til utvikling av nye materialer og anvendelser innenfor IKT. Superledende og ferromagnetiske materialer står i fokus.

Forskergruppene ser på hva som skjer i superledere når de utsettes for magnetfelt, og hvordan strøm og magnetfelt påvirker egenskapene til ferromagnetiske materialer.

Spintronikk

Elektroner kan gå gjennom en leder. Men elektronet har flere tilstander enn ladning og masse.

Det har også spinn som påvirkes av magnetfelt. Spinnet kan være enten opp eller ned.

Sudbøs forskergrupper studerer hvordan ladning og spinn transporteres i oksider. Utfordringen er at spinn er vanskelig å måle, i motsetning til elektronets ladning.

Fakta om prosjektet

Navn: Nationally Coordinated Project in Oxides for Future Information and Communication Technology

Prosjektleder: Professor Asle Sudbø, NTNU

Budsjett: 52 millioner kroner

Prosjektperiode: 1.7.2003-30.6.2008

Deltagere: 3 ved NTNU, 1 ved SINTEF, 6-7 ved UiO. Pluss 12 stipendiater

Bedre forståelse av de grunnleggende egenskapene ved spinn i superledende materialer kan få stor betydning for elektronikk på nanometernivå. I spintronikk brukes elektronets spinn som en funksjon, for eksempel til beregninger.

- Superledning og magnetisme vil stå sentralt i utviklingen av nye funksjonelle materialer.

- For å ta et praktisk eksempel: Elektronets ladning bestemmer grensen for hvor tett du kan pakke mikroprosessorene. De når snart grensen.

- Da kan vi se for oss at elektronets spinn blir tatt i bruk. Det blir også aktuelt i NEMS (nanoelektroniske mekaniske systemer), sier Sudbø.

Anerkjent

De fleste resultatene i det nasjonale koordineringsprosjektet har så langt kommet på teorisiden. Forskerne fra NTNU og Universitetet i Oslo har fått publisert nærmere 25 artikler i de mest prestisjetunge tidsskriftene som Physical Review Letter og Applied Physics Letters.

Forklaringer

Spinn: I tillegg til ladning har elektronet ifølge kvantemekanikken spinn. Enten spinn opp eller spinn ned. Et magnetfelt kan endre tilsanden fra spinn opp til ned eller omvendt.

Spintronikk (av engelsk spintronics): Målet er å utnytte spinntilstandene i elektronet i elektronisk utstyr.

Ferromagnetiske materialer: Naturlige magneter eller materialer som blir permanent magnetiske etter å hav blitt utsatt for magnetfelt.

Universitet i Oslo har under ledelse av professor Tom Henning Johansen bygd opp et verdensledende eksperimentelt miljø på disse feltene.

Mens NTNU og Universitetet i Oslo har jobbet med teori og eksperimenter innenfor fysikk, har SINTEF sett på anvendelsene.

Det har vist seg å være komplisert å finne de rette materialene til å lage en bølgeleder. Sudbø håper de har en prototyp klar før prosjektet er ferdig.

Prosjektet i seg selv har ikke skapt nye nettverk i utlandet, men prosjektmidlene har gjort det mulig for forskerne å delta på konferanser og møte forskerkolleger i andre land ifølge Sudbø.

- Vi har et sjenerøst budsjett, sier han.

Vil videreføre prosjektet

Sudbø leder et av de store koordineringsprosjektene innenfor Nanomat. Ideen med koordineringsprosjekter er å utnytte forskningsressursene i Norge bedre ved å få forskningsmiljøene til å samarbeide bedre og fordele arbeidsoppgaver seg i mellom.

Det ble en tung prosess da prosjektet startet i 2003.

- Jeg og mange med meg var skeptiske da det nasjonale koordineringsprosjektet ble lansert. Vi følte det var et diktat der vi ble tvunget sammen. Vi kunne ikke se noen stor samarbeidsgevinst, sier Sudbø.

Nå er holdningen endret.

- Forskerne ved de ulike institusjonene har senket skuldrene. Det har vært positivt at forskerne har kommet sammen på prosjektmøter og konferanser flere ganger i året, og fått vite hva de andre holder på med. I tillegg har vi fått til en viss arbeidsfordeling, sier han.

Sudbø vil anbefale at det nasjonale koordineringsprosjektet fortsetter når dagens prosjekt avsluttes 30. juni neste år.

- Langsiktig satsing gir de beste resultatene. Selv om det kan bli kjedelig å høre Nanomat om ti år, og lysten på å starte noe annet er stor, er det viktig å tenke langsiktig.

- Vi kan lære av Sveits og Nederland som er de fremste landene på eksperimentell fysikk i Europa. De har bygd seg opp ved å være langsiktige, sier Sudbø som vil videreføre samarbeidet og arbeidsdelingen.