Supraledare – en frusen framtidsdröm

Den 18 mars 1987, New York. Två tusen personer står tätt packade utanför Hotel Hiltons stora sal. ”När släpper de in oss?” ”Har du hört vad som har hänt?” ”Det här är stort. Riktigt stort.”

Vissa har väntat i timmar för att få en bra plats. Det är inte en rockkonsert eller Oscarsgala. Det är American Physical Society som har konferens. I efterhand har en punkt lagts till på programmet, på den obekväma tiden halv åtta på kvällen.

Fram till klockan kvart över tre påföljande morgon avlöser 51 korta föredrag varandra. Varenda stol är upptagen, gångarna är fullpackade och utanför följer de som inte fick plats presentationerna på tv-skärmar.

Ordet som fångat allas uppmärksamhet är supraledare – material som kan leda ström helt utan motstånd. Från att ha varit fysikalisk kuriosa har ett nytt material gjort supraledare praktiskt användbara. För forskarna hägrar perfekta batterier, kraftledningar utan förluster och magneter som får bilar och tåg att sväva. Framtiden är inom räckhåll.

Drygt 20 år senare

Som de flesta vet har vi fortfarande inte perfekta batterier eller flygande bilar. I stället finns supraledare främst på några specialområden inom medicin och teknisk forskning.

Det som satte stopp för utvecklingen var att även de nya supraledarna kräver extrem kyla – åtminstone hundra grader under vattnets fryspunkt. Uppståndelsen vid konferensen 1987, senare kallad fysikens Woodstock, kom sig av att supraledning hade tagit ett jättekliv i temperatur. Plötsligt behövdes inte flytande helium för att skapa supraledare. Det mycket billigare flytande kvävet kunde användas.

Senare det året tilldelades Georg Bednorz tillsammans med sin kollega Alexander Müller Nobelpriset i fysik för att ha utvecklat de nya supraledande materialen – en keramik baserad på kopparoxid.

– Jag och min kollega Alex blev inbjudna överallt för att prata om hur vi upptäckte de nya supraledarna. Jag hade knappt tid för forskning och fick i stället lära mig att ge intervjuer och uppträda inför tevekameror, säger Georg Bednorz vid IBM Zurich Research Laboratory i Schweiz.

– Visst framförde medierna många ogrundade spekulationer över vad som skulle hända med supraledarna, men optimismen fick också skjuts av forskare som var överentusiastiska. I efterhand kan det betraktas som ett misstag, men det är förståeligt. Det gick inte att förutse vad framtida utveckling skulle kunna ge, så det var lätt att överdriva. Men när hajpen lagt sig kom en tid av tillnyktring.

Det som både forskare och allmänhet hade föreställt sig uteblev alltså: supraledare som fungerar i rumstemperatur. Forskningen gick visserligen framåt, men det gick sakta och handlade om att göra supraledarna mer tåliga för magnetfält och starkström. Ännu i dag ligger temperaturrekordet kring -140 grader och har inte ändrats på femton år.

Ett grundläggande problem är att ingen vet hur de nya supraledarna fungerar.

– De gamla supraledarna från 1900-talets början kunde vi förklara. Högtemperatursupraledarna har nu funnits i 20 år, men vi forskare är fortfarande inte eniga om varför de blir supraledande. Mekanismerna är desamma som i gammaldags supraledare, men vi vet inte hur de uppstår, säger fysikprofessor Ali Yazdani vid Princeton University.

De två ingredienser som behövs är dels att elektroner parar ihop sig, dels att de når ett så kallat koherenstillstånd. Ali Yazdani publicerade nyligen forskning som kan hjälpa till att förstå den ena halvan.

– Vi upptäckte att små fläckar av hopparade elektroner finns kvar även ovanför den kritiska temperaturen, där supraledningen upphör.

De elektronparen finns i vissa fall kvar upp till 50 grader ovanför den supraledande gränsen.

– Man kan fråga sig om den kritiska temperaturen skulle höjas om hela materialet hade samma atomstruktur som i fläckarna med elektronpar.

Ali Yazdanis forskargrupp arbetar nu för att bättre förstå varför det blir fläckar av elektronpar när supraledningen försvunnit.

– Frågan är mer komplex än vad man först tror. Det är inte bara strukturen precis där paren bildas som är viktig, utan också materialet runt omkring. Det finns skillnader i atomstrukturer som vi undersöker, men det verkar inte vara den viktigaste faktorn. Det finns också defekter i materialet som påverkar elektronerna, men inte heller det verkar vara avgörande.

Nästan som metaller

Samtidigt som Ali Yazdani publicerade sin forskning kom också andra rön om supraledare. En kanadensisk forskargrupp har undersökt hur dopning – ändring av antalet laddningar genom tillsats av nya ämnen – påverkar supraledarna.

– När materialet dopas starkt liknar det i många avseenden en metall. Men med en lägre dopning, där supraledningen uppstår, blir materialets egenskaper mycket märkliga och svåra att förklara, säger fysikern Nicolas Doiron-Leyraud vid Université de Sherbrooke, som ledde forskningen.

Den kanadensiska gruppens forskning visade att de metalliska egenskaperna finns kvar även vid svag dopning.

– Eftersom materialen inte skiljer sig så mycket från vanliga metaller har vi mycket bättre möjligheter att förstå hur de fungerar.

Nicolas Doiron-Leyraud är hoppfull inför möjligheterna att en dag kunna använda supraledare i rumstemperatur.

– Det finns inget som säger att det är omöjligt. Jämfört med dagens rekord krävs en fördubbling av temperaturen, men det är inte så mycket inom fysiken.

– När vi vet hur materialen fungerar, går det att säga exakt vilka mekanismer som skapar supraledningen. Det kan hända att samma egenskaper finns i helt andra material.

Även Nobelpristagaren Georg Bednorz är entusiastisk.

– Egentligen har de drömmar vi hade i slutet av 1980-talet blivit förverkligade, i form av prototyper och testfordon. I dag finns supraledande motorer, generatorer, kablar och mätare för magnetfält. Och för två år sedan testades ett tåg som svävar med hjälp av supraledare på extremt starka magneter.

– En av de saker jag är stolt över är att forskningen har skapat mycket samarbete om supraledare över nationsgränserna. Det samarbetet har blivit kvar och spritt sig även till andra forskningsområden.