Superledning — hva dreier all spenningen og begeistringen seg om?

OPPI ET isoporbeger ligger det en rund skive av et sort materiale på størrelse med en liten knapp. Oppå skiven ligger det en enda mindre metallbit. Den unge eleven heller forsiktig en væske som det står frostrøyk opp fra, oppi begeret, litt om gangen. Alle rundt bordet ser på med spent forventning.

Væsken freser voldsomt når den treffer begeret. Fresingen gir seg snart, og luften blir stille. Så begynner den lille metallbiten å bevege seg, som i en liten dans. Plutselig løfter den seg opp fra skiven og svever i løse luften! Eleven tar en tråd med en løkke og lar den passere metallbiten for å bevise at biten svever i luften. Det er ikke noe lureri eller tricks!

Dette var et forsøk på superledning (som også kalles supraledning) som ble foretatt av en gruppe elever ved en high school i California. For bare ett eller to år siden kunne et slikt forsøk bare foretas i moderne forskningslaboratorier med spesielt utstyr og betydelige midler. Det at skoleelever gjør det i dag, vitner om den raske utviklingen på dette området.

I mai i fjor hadde bladet Time en artikkel som het «Superledere! — Det forbløffende gjennombruddet som kan forandre vår verden». Newsweek kalte det «en ny elektrisk revolusjon». Bladet Life kalte sin reportasje «Ferdigmatfysikk» og antydet dermed hvor fort tingene skjer på dette felt. Hva er så superledning? Og hva dreier all spenningen og begeistringen seg om?

En ideell tilstand som man lenge har prøvd å oppnå

Elektrisk ledningsevne, konduktivitet, er et stoffs evne til å lede elektrisk strøm. De fleste av oss vet at slike materialer som glass og porselen ikke leder elektrisitet; de er isolatorer. Men slike metaller som kobber, gull og platina er gode ledere fordi strøm som går gjennom disse metallene, møter forholdsvis liten motstand. Superledning vil si at det ikke er noen som helst elektrisk motstand i stoffet — den ideelle tilstand hvor strømmen blir ledet uhindret og uten at noe av den går tapt.

Forskerne har lenge forestilt seg hvilke enorme muligheter et slikt ideelt materiale — en superleder — vil kunne by på. Kraftledninger av superledere vil for eksempel ikke bare kunne eliminere det enorme energitapet som skyldes motstand i de tradisjonelle ledningene, men vil også kunne eliminere de dyre kraftlinjene som skjemmer landskapet. Bruk av superledere vil gjøre det mulig å lage kompakte superdatamaskiner som arbeider i en hastighet som hittil har vært uoppnåelig. Superledernes uvanlige magnetiske egenskaper kan føre til en ny generasjon kraftige elektromagneter som kan gjøre ting som man nå eksperimenterer med, praktisk anvendelige, for eksempel medisinske skannere, høyhastighetstog som svever på et magnetisk felt, kjempemessige partikkelakseleratorer og fusjonsenergi.

Alt dette er fascinerende, men det er én hake ved det. I over 75 år har forskerne visst at bestemte metaller er superledende, men bare når metallene blir nedkjølt til ekstremt lave temperaturer. Den nederlandske vitenskapsmannen Heike Kamerlingh Onnes var den første som påviste superledningseffekten. Det gjorde han allerede i 1911. Han hadde nettopp utviklet en teknikk som gjorde det mulig å fremstille flytende helium, noe han fikk nobelprisen for i 1913, og undersøkte så hvilken virkning lave temperaturer har på forskjellige metaller. Helt uventet fant han at kvikksølv mister all elektrisk motstand ved omkring -269° C, 4 K, fire grader over det fysikerne kaller det absolutte nullpunkt på kelvinskalaen.a

Selv om superledning ble oppdaget helt tilfeldig, ble man snart klar over hvor verdifullt dette var. Men den ekstremt lave temperaturen som materialet ble superledende ved, den kritiske temperatur, var en alvorlig hindring. De høye kostnadene og vanskelighetene ved å arbeide ved slike lave temperaturer begrenset den praktiske verdien. I de etterfølgende tiårene eksperimenterte forskerne med andre materialer i håp om å finne noe som ville bli superledende ved høyere temperaturer. Men det gikk tregt framover.

I årenes løp kom imidlertid andre av superledernes egenskaper for dagen. En av de viktigste, som ble oppdaget i 1933, var at når en superleder er plassert i et magnetisk felt, lar den ikke noen av de magnetiske feltlinjene trenge gjennom den, men den støter dem fra seg eller blir frastøtt av dem. Dette fenomenet, som kalles meissnereffekten, er årsaken til at metallet svever i luften, som det ble vist i skoleforsøket. Denne oppdagelsen førte til fornyede forsøk på å finne superledere ved høyere temperaturer. Men fremskrittene ble fortsatt gjort i sneglefart. Så sent som i 1973 var det beste som var blitt funnet, en bestemt metallegering som ble superledende ved 23 K, -250° C, som også var en så lav temperatur at det var upraktisk å arbeide med den. Og de neste 12—13 årene var det mer eller mindre stillstand på dette området.

Høyere temperaturer

Situasjonen tok en ny vending da to vitenskapsmenn ved IBMs forskningslaboratorium i Zürich i Sveits fikk den tanken at grunnen til at andre forskere ikke lyktes noe særlig, kanskje var at de konsentrerte seg om gal type materiale. Fram til da hadde mesteparten av forskningen foregått med metaller og legeringer. «Jeg ble overbevist om at en ikke kunne gjøre flere fremskritt i den retning,» sa Alex Müller, en av de to vitenskapsmennene.

Müller og hans partner, Georg Bednorz, begynte å eksperimentere med metalloksider i 1983. I begynnelsen av 1986 gjorde de det første store fremskritt på mange år, for de oppnådde superledning ved 35 K, -238° C, ved å bruke en forbindelse som bestod av barium, lantan, kobber og oksygen. Da nyheten til slutt ble offentliggjort i september 1986, ble forskningsmiljøene overrasket. Det materialet som forskerne brukte i det sveitsiske laboratoriet, en keramisk forbindelse, var normalt en isolator, og ingen kunne ane at det var her det største gjennombruddet på flere tiår skulle komme.

Med korte mellomrom ble den ene rekorden slått etter den andre. I februar 1987 oppdaget et team som ble ledet av C. W. Chu ved Houston universitet i USA, superledning i et materiale ved den rekordhøye temperaturen på 93 K, -180° C, ved å erstatte lantanet i Müllers blanding med yttrium, et annet av de sjeldne grunnstoffene i jordskorpen.

Denne prestasjonen innledet et nytt kapittel når det gjaldt superledning ved høy temperatur. Fram til da hadde man måttet bruke flytende helium for å nedkjøle de materialene som ble undersøkt, til den lave temperaturen som var nødvendig — en svært dyr og komplisert prosess. I og med den nye oppdagelsen kan nedkjølingen nå foregå med flytende nitrogen, som blir flytende ved 77 K, -196° C. Flytende nitrogen er lett tilgjengelig, koster bare omtrent det samme som melk og kan håndteres uten komplisert utstyr. Dette i tillegg til at oksidet også er lett å lage og ikke er dyrt, var viktige medvirkende faktorer til at forskningen omkring superledning fikk et nytt oppsving.

Det endelige målet er naturligvis en superleder ved romtemperatur, noe som vil eliminere ethvert behov for nedkjøling, og forskere verden over prøver iherdig å nå dette målet. Det har faktisk allerede begynt å komme meldinger om «forbigående antydninger» til superledning ved romtemperatur.

I slutten av mai 1987 forbedret Chu og hans gruppe sin egen rekord. De oppdaget at en liten del av en prøve ble superledende ved 225 K, -48° C, men bare periodisk. «Du kan se det én gang,» sa Pei-Heng Hor, et av medlemmene i teamet, «og etter en stund forsvinner det, men så kan du se det igjen.» En gruppe ved California universitet i Berkeley meldte at de hadde observert superledning ved 292 K, 19° C, i et materiale de arbeidet med, men de klarte ikke å få det samme resultatet på nytt.

En gyllen tidsalder like foran oss?

Alle de spennende nyhetene om superledere har gitt mange inntrykk av at vi nå står på terskelen til en ny æra, en teknologisk gyllen tidsalder. De sier at det er like før vår tilværelse blir forandret, som den ble da slike ting som den elektriske glødelampen og transistoren ble oppfunnet. Er alle de vidunderlige tingene som superlederne angivelig kan åpne muligheten for, virkelig rett rundt hjørnet?

«Vi må få en mye mer fullstendig, grunnleggende vitenskapelig forståelse før vi kan gjøre omfattende bruk av superledning,» sa Erich Bloch, som er lederen for U.S. National Science Foundation. Forskerne har ennå ikke kunnet gi bestemte svar på hvorfor de menneskelagde keramiske materialene virker slik de gjør.

På grunn av dette mener mange eksperter at det sannsynligvis vil gå flere år før superlederne vil kunne forlate laboratoriene og gjøres praktisk anvendelige. «Disse materialene byr på store muligheter, men det tidsskjema pressen har satt opp, er galt,» sier en forsker ved National Bureau of Standards i USA. «Det vil gå fem år før vi ser dem som tynne filmer i datamaskiner og opptil 20 år før vi ser dem bli anvendt på en mengde områder.»

Én hindring er at materialer som blir superledende ved høy temperatur, ikke er smidige eller lette å arbeide med, slik som metaller er. Disse skjøre materialene kan heller ikke bøyes lett, og det vet alle som har mistet en tallerken av keramikk eller porselen på gulvet. Men for at superlederne skal kunne bli praktisk anvendelige, må de bli fremstilt som ledninger og tynne filmer. I datamaskiner og integrerte elektroniske kretser må de være så tynne at de bare er en brøkdel av en mikrometer tykke. Motorer og magneter må ha tynne, bøyelige ledninger i sine viklinger, og kraftledninger må være sterke og bøyelige.

Noe som gjør saken enda vanskeligere, er at forskerne ikke er sikre på om de superledende materialene er i stand til å lede de store elektriske strømmene eller magnetfeltene som er nødvendig når det gjelder mange av anvendelsesområdene. Alle superledere har en grense som ikke må overskrides, for at de skal kunne beholde sin superledning. Denne grensen er for tiden forholdsvis lav. Alle disse problemene kan kanskje bli løst, men ikke over natten.

Det er også en mer illevarslende side ved det hele. Det er allerede snakk om å bruke superledere i partikkelstrålevåpen til bruk i verdensrommet! Vil superledningseffekten vise seg å være den velsignelse alle spår og håper at den får, eller vil det gå slik som det har gått med andre revolusjonerende oppfinnelser og oppdagelser, for eksempel med kruttet og kjernefisjon? Det er et spørsmål som tydeligvis ingen er villig til å besvare.

[Fotnote]

[Ramme på side 21]

Superledere byr på store muligheter

«Praktisk anvendelige superledere nedkjølt med nitrogen kunne spare de offentlige foretak for milliardbeløp — og spare så mye energi at 50 eller flere kraftverk kunne settes ut av drift,» sier Business Week. Hvis en kunne ta i bruk superledende generatorer og kraftlinjer, kunne en også bygge kraftverk som produserte mer elektrisk energi, og som lå lenger unna byene, noe som kunne redusere forurensningen, kostnadene og farene.

Det kan kanskje la seg gjøre å lage tog som svever på et magnetisk felt med en hastighet på opptil 480 kilometer i timen, ved hjelp av lette superledende magneter. Elektriske biler som blir drevet av kraftige superledende motorer, kan kanskje redusere luftforurensningen i byene. Også skip kan bli drevet av slike motorer.

Superledende mikrochips som er 1000 ganger så raske som silisiumtransistorer, blir allerede utviklet. Ved bruk av slike chips vil ikke framtidens datamaskiner bare bli raskere, men fordi den varmen som produseres, blir sterkt redusert, vil datamaskinene også bli mindre. Personlige datamaskiner vil være like kraftige som store datamaskiner er i dag.

Det finnes avanserte apparater som gjør det mulig å se inn i menneskekroppen og registrere hjernebølger. Disse apparatene, NMR (som står for nuclear magnetic resonance scanners) og SQUID (superconducting quantum interference devices), blir enklere og billigere når det blir brukt superledere, så det kan bli mulig for vanlige sykehus å skaffe seg dem.

Superledere byr på store muligheter. I hvilken grad kommer de til å bli utnyttet?

[Bilderettigheter på side 19]

IBMs forskningslaboratorium