100 års väntan på supraledaren

All världens energiproblem skulle lösas om bara ett enda material blev supraledande och ledde elektrisk ström utan motstånd vid rumstemperatur. Då skulle svävande tåg, kraftledningar utan elektriska förluster och kraftfulla datorer inte större än ett mynt bli verklighet. I supraledande slingor skulle sommarens solenergi kunna lagras för att användas under kalla vinternätter. De supraledande slingorna skulle dessutom ersätta batterier i elbilar.

Allt detta låter i dag som science fiction. Men ett enda genombrott inom materialforskningen skulle kunna leda oss dit. Genombrottet måste innebära att dagens rekord på minus 143 grader Celsius, som krävs för att materialet ska bli supraledande, höjs åtminstone cirka 150 grader för att nå upp till en temperatur som gör supraledare lättare att hantera i vardagen.

I väntan på det genombrottet används supraledare i avancerad medicinsk utrustning, som i magnetisk tomografi (magnetic resonance imaging – MRI), vissa avancerade mikroprocessorer och i de magneter som utnyttjas vid acceleratorer för att få fart på elementarpartiklarna. Men i alla dessa fall krävs alltså en rejäl nedkylning för att få den supraledande effekten.

Så, när kommer genombrottet? Supraledarnas hundraåriga historia lär oss att upptäckterna inte kommer på beställning. Det är värt att ha i minnet när forskarsamfundet upplever att anslagsgivare väntar sig att tänkta resultat ska lösa det ena samhällsproblemet efter det andra.

Ingen av de viktigaste upptäckterna inom supraledning gjordes till följd av någon speciell satsning från ett anslagsgivande organ. Ändå har området belönats med tio Nobelpris – och hundratusentals vetenskapliga artiklar har publicerats i ämnet. De framgångar som har skett under årens lopp har kommit som en fullständig överraskning även för forskarna själva.

De skarpaste hjärnorna inom naturvetenskapen har arbetat med frågor som rör supraledning. Finns det då någonting kvar som inte är klarlagt? Fortfarande har ett av de intressantaste experimenten inte fått sin teoretiska förklaring. Det är upptäckten från 1986 av nya material, keramer, som blir supraledande vid osedvanligt hög temperatur.

Supraledningen upptäcktes för hundra år sedan av holländaren Heike Kamerlingh Onnes. Då var det sedan tidigare känt att elektrisk ström uppstår när en pålagd spänning tvingar elektroner att röra sig framåt i ett elektriskt ledande material. Detta sker dock inte utan ett visst motstånd, så kallad resistans, eftersom elektronerna stöter på hinder längs vägen. Materialets kristallina struktur kan innehålla föroreningar eller så kan den sakna någon atom. Då sprids elektronerna och tappar fart, vilket ger den elektriska resistansen.

Därför kom det som en stor överraskning när Kamerlingh Onnes år 1911 fann att kvicksilver nerkylt till 4 grader över absoluta nollpunkten (minus 273,15 grader Celsius) ledde ström utan motstånd. Han hade absolut inte förväntat sig supraledningen. Men redan två år senare, 1913, hedrades upptäckten med Nobelpriset i fysik.

Två viktiga experimentella egenskaper visade sig följa med supraledningen. Den viktigaste är den redan nämnda motståndslösa elektriska ledningsförmågan i nerkylda material.

Den andra är att ett supraledande material inte låter sig genomträngas av ett magnetfält. En av de mer spektakulära effekterna av detta är den så kallade Meissnereffekten, som innebär att en magnet som placeras ovanpå en supraledare kan sväva fritt. Effekten uppstår dock bara vid svaga magnetfält; starkare magnetfält bryter det supraledande tillståndet, och resistansen träder åter in i den elektriska ledaren.

Det dröjde nästan femtio år, till 1957, innan en teoretisk förklaring till Kamerlingh Onnes experiment gavs av den amerikanska trion John Bardeen, Leon Cooper och Robert Schrieffer. De föreslog en mekanism till supraledningen som numera kallas BCS-teorin.

Enligt BCS-teorin bildar elektronerna som far igenom supraledande material så kallade Cooperpar. Styrkan på bindningen mellan dessa elektronpar förhindrar att de sprids mot orenheter i materialet. Då försvinner resistansen med supraledning som en direkt följd. Men elektronerna kan bara para ihop sig vid låga temperaturer, så BCS-teorin förklarar bara supraledning strax ovanför den absoluta nollpunkten.

År 1972 fick Bardeen, Cooper och Schrieffer dela på Nobelpriset i fysik. Det gjorde John Bardeen unik i Nobelprissammanhang – han är den ende som fått Nobelpriset i fysik två gånger. Första gången fick han priset 1956 för sitt arbete med transistorn. Robert Schrieffers bidrag till BCS-teorin, däremot, var hans doktorsarbete – de viktigaste bidragen till fysiken skrivs inte sällan av unga forskare, och Schrieffer är inget undantag från den regeln.

Ytterligare ett Nobelpris är förknippat med supraledning. Det gäller en annan anmärkningsvärd effekt som rent teoretiskt förutspåddes av Brian Josephson när han var 22 år gammal och student vid Cambridge university i Storbritannien.

Enligt honom skulle en rad märkliga egenskaper dyka upp om två supraledare kopplades ihop via ett hinder, ett tunt oxidskikt, som i sig inte är supraledande eller ens elektriskt ledande. En sådan struktur kallas numera en Josephson-övergång. I den kan Cooperparen hoppa över hindret från den ena supraledaren till den andra och därmed skapa supraledande strömmar, hävdade Josephson. Han förutsade dessutom att en likriktad spänning över en Josephson-övergång borde resultera i en växelström.

Detta ansågs strida mot rådande vetenskaplig intuition. Vid tiden då Josephson publicerade sina resultat, 1962, förknippades nämligen växelström bara med växelspänning, medan likriktad spänning var nära förknippad med likström.

Så Josephson fick mycket riktigt hård kritik från sina forskarkolleger för att ha kokat ihop något helt orimligt. Inte minst från John Bardeen, som då redan hade fått sitt första Nobelpris och dessutom stod bakom BCS-teorin för supraledning.

Med en sådan väldig meningsmotståndare kan det inte ha varit helt lätt för den unge Josephson att få gehör för sin teori.

Han stod dock på sig, speciellt under en numera historisk vetenskaplig diskussion vid den internationella konferensen i lågtemperaturfysik, som hölls vid Queen Mary college i London i september 1962. Bardeen och Josephson presenterade där sina olika teorier om möjliga förhållanden mellan elström och spänning i en Josephson-övergång. Bardeen hävdade att några Cooperpar inte kan uppstå i ett isolerande oxidskikt och därför kan de inte heller hoppa från ena änden till den andra.

Men bara ett år senare, 1963, visade experiment att Josephsons teorier stämde. Bardeen fick erkänna att den unge studenten hade haft rätt, och efter ytterligare tio år kom det största erkännandet: Brian Josephson tilldelades 1973 års Nobelpris i fysik.

Sedan dröjde det till 1986 då ytterligare en banbrytande upptäckt satte i gång en febril verksamhet världen över. Två forskare i Schweiz, Johannes Bednorz och Alexander Müller, fann ett material, ett slags kopparoxid som blir supraledande vid minus 238 grader.

Detta var helt oväntat av två anledningar. Först och främst var den kritiska temperaturen för supraledning högre än vad alla trodde var möjligt. Högtemperatursupraledning blev snart en allmän beskrivning av det nyupptäckta fenomenet.

Rekordet fram tills dess låg på en kritisk temperatur på runt minus 250 grader hos en blandning av niob och tenn, NbSn3. Den ansågs länge som en övre gräns för hur hög den kritiska temperaturen någonsin kunde bli.

Över tjugo supraledande grundämnen var då kända av de totalt cirka nittio naturligt förekommande. Metallen niob befanns ha den högsta kritiska temperaturen på drygt minus 264 grader. Men det var också känt att en blandning av grundämnen kan ge ytterligare tusentals legeringar och metalliska föreningar som blir supraledande.

Den andra överraskningen med den nya högtemperatursupraledaren var att materialet är en isolator – det leder inte alls elektrisk ström. Om man dopar det, det vill säga tillsätter främmande grundämnen, kan kopparoxiden på sin höjd bli en dålig elektrisk ledare. Materialet var alltså helt olikt de äldre supraledarna som vanligen alla är goda metalliska ledare. Det stod klart att Bednorz och Müller hade hittat en helt ny sorts supraledare.

De valde att offentliggöra sin upptäckt i den mindre kända tidskriften Zeitschrift für Physik, vilket nog inte var en slump. Publicering av vetenskapliga studier går till så att författarna skickar sin artikel till en tidskrift. För att få en anonym bedömning av studien, brukar artikeln skickas vidare till en eller flera experter inom forskningsfältet (det så kallade peer review-systemet).

Det händer att experterna och artikelförfattarna ibland är konkurrenter inom samma forskningsfält och då är det väl inte svårt att gissa sig till att processen inte är helt invändningsfri.

Flera exempel finns på att artikelförfattare misstänker att deras resultat har läckt vidare under en sådan här bedömningsomgång. Så det val av tidskrift som Bednorz och Müller gjorde antyder att de ville smyga ut sina resultat, kanske på grund av farhågor om läckage. Men de fick behålla äran för sin upptäckt. Redan ett år senare, 1987, belönades de med Nobelpriset i fysik, vilket är rekordsnabbt i Nobelsammanhang.

Det supraledande materialet som Bednorz och Müller fann – lantankopparoxid, La2CuO4 – tillhör en klass kopparföreningar som kallas kuprater. Där ligger kopparatomerna i speciella plan i kristallstrukturen, omgivna av syre som närmaste granne.

Bara några månader efter upptäckten, i januari 1987, visade forskare vid ett amerikanskt universitet att även andra kuprater, med liknande kristallstruktur som lantankopparoxiden, kunde bli supraledande och dessutom vid ännu högre temperatur, minus 180 grader. Det är en fullkomligt hissnande höjning för den högsta kritiska temperaturen, jämfört med de minus 250 grader som var övre gränsen före Bednorz och Müllers arbete.

Att den kritiska temperaturen hade passerat kvävets kokpunkt vid minus 196 grader var också viktigt för de praktiska tillämpningarna. Sedan dess har kväve ersatt det annars dyra flytande helium som det vanligaste kylmedlet för supraledare.

På bara några månader, mellan slutet av 1986 och början av 1987, lärde sig experter i supraledning att deras gamla riktlinjer inte längre höll. En teknologisk revolution tycktes nära förestående. Fysiker världen över kastade sig mycket riktigt in i det inferno av forskning om supraledning som följde. I rask följd rapporterades det ena rekordet efter det andra för den högsta kritiska temperaturen som krävdes för att supraledning skulle inträda.

Nuvarande rekord hålls av kupraten HgBa2Ca2Cu3O8, som – om den dopas på rätt sätt – har en kritisk temperatur på minus 113 grader. Däremot saknar vi fortfarande en teoretisk förklaring till de observerade temperaturerna – det är klart att den gamla BCS-teorin inte räcker till när den kritiska temperaturen stiger.

I mars 1987 utvecklades följaktligen ett av materialfysikens största årliga möten som American physical society anordnar till vad som senare skulle omnämnas som The Woodstock of physics. Under en sju timmar lång sammankomst presenterades experimentella resultat blandade med möjliga teorier för högtemperatursupraledning. Rummet var till brädden fyllt av 1 800 personer, ytterligare 2 000 stod utanför och försökte uppfatta vad som pågick därinne.

I början av denna era i materialfysikens historia blandades noggrant utförda studier med snabba resultat av mindre hög kvalitet. Slutsatserna om supraledande material kunde peka åt helt olika håll.

Olika spekulationer över vad som drev kupraten till supraledning följde, och vissa forskare mötte ibland sina meningsmotståndares teorier och experiment på ett mindre kollegialt sätt. Vid ett seminarium om högtemperatursupraledning lär en forskare ha rest sig ur publiken, och utbrustit: ”Lögnare! Lögnare! Mina damer och herrar, den här mannen är en lögnare, tro inte ett ord av vad han säger!”

Ett stort antal teoretiska modeller har vid det här laget föreslagits, med exotiska namn som resonans-valensbindning, spinn-bag-teori, antiferromagnetisk Fermivätsketeori, antiferromagnetiska paramagnoner, van Hove-scenario, spinoner, holoner, anyoner, skyrmioner och spinnfluktuationer. Ännu har forskarsamfundet inte kommit överens om vilken av modellerna som bäst beskriver högtemperatursupraledning, eller om flera modeller tillsammans ger den bästa förklaringen. Så vi fysiker gäckas fortfarande av teorin bakom supraledning hos kupraterna. För oss är det ett av de mest svårlösta mysterier som naturvetenskapen brottas med.

Mysteriet består, trots att Sverige och andra länder i slutet av 1980-talet och en bit in på 1990-talet satsade hårt på högtemperatursupraledning. Svenska forskare kunde under denna tid bygga upp en världsledande kompetens när det gäller supraledning samt kuprater och andra metalloxider. Denna satsning ledde tyvärr inte till några större genombrott vad gäller tillämpningar av supraledning eller förståelse av den mikroskopiska mekanismen bakom den. Även andra länder fick erfara liknande besvikelser. Trots att över 100 000 vetenskapliga rapporter har publicerats om supraledning hos kuprater har ännu väldigt få praktiska tillämpningar av dessa material kommit till.