211service.com
Hoe metamaterialen de sleutel kunnen zijn tot supergeleiding bij hoge temperaturen
Metamaterialen zijn een van de wonderen van de moderne natuurkunde. Gemaakt met herhalende 3D-patronen van elektronische componenten zoals condensatoren en weerstanden, metamaterialen interageren met lichtgolven en sturen ze op manieren die onmogelijk zijn met gewone dingen. Het resultaat: meer onzichtbaarheidsmantels dan waar je een toverstok tegenaan kunt schudden.
Maar er is geen magie aan het werk. De algemene theorie die dit verklaart, staat bekend als transformatie-optica. En de wiskunde erachter is formeel analoog aan de vergelijkingen die beschrijven hoe massa de ruimtetijd vervormt om zwaartekracht te genereren. Daarom hebben natuurkundigen een metamateriaal kunnen gebruiken om de manier te simuleren waarop een zwart gat licht vangt.
Nu zeggen Igor Smolyaninov en Vera Smolyaninova van de Universiteit van Maryland in College Park dat metamaterialen formeel kunnen worden gekoppeld aan een ander gebied van de natuurkunde: supergeleiding. In het bijzonder zeggen ze dat supergeleiders een speciale vorm van metamateriaal kunnen zijn die elektronen sturen in plaats van licht. Dat roept de verleidelijke mogelijkheid op dat het geheim van supergeleiding bij hoge temperaturen zou kunnen liggen in de ontwikkeling van een nieuwe generatie metamaterialen die dit idee verder uitbuiten.
Eerst wat achtergrond. Supergeleiding is het fenomeen van nulweerstand in materialen die onder een bepaalde kritische temperatuur worden gekoeld. Supergeleiders stoten ook magnetische velden uit, een fenomeen dat bekend staat als het Meissner-effect.
Gedurende vele jaren na de ontdekking van supergeleiding in 1911, waren natuurkundigen verbaasd over hoe het ontstond. Toen, in 1957, losten John Bardeen, Leon Cooper en John Schrieffer het probleem op met behulp van wat nu bekend staat als de BCS-theorie.
Hun idee is dat elektronen zich bij lage temperaturen verdubbelen om Cooper-paren te vormen die samen door het materiaalrooster reizen. Ze doen dit zonder weerstand door fononen - kwantumdeeltjes van trillingen - uit te wisselen met het rooster.
In feite worden de koperparen door het rooster geveegd door deze fononen, die de weg vrijmaken voor obstakels, zoals andere elektronen. Daarom is er nul weerstand.
Dit vermogen om elektronen te sturen klinkt misschien bekend in de oren. De Smolyaninov en Smolyaninova zeggen inderdaad dat hoge-temperatuur-supergeleiders zoals BSCCO's (bismut-strontium-calcium-koperoxiden die bij meer dan 100 K supergeleiden) een formele overeenkomst hebben met de metamaterialen die natuurkundigen al hebben gebouwd om licht te sturen.
Dat komt omdat ze bestaan uit lagen van atomen met metallische eigenschappen met tussenruimten met lagen van atomen die diëlektrische eigenschappen hebben (zie diagram). In feite zijn het de ultieme metamaterialen die op atomaire schaal zijn geconstrueerd.
Dat roept het fascinerende vooruitzicht op dat natuurkundigen op een dag zelf supergeleidende metamaterialen kunnen ontwikkelen. En met een beter begrip van hoe deze lagen precies elektronen sturen zonder weerstand, is het misschien zelfs mogelijk om materialen te maken die supergeleidend zijn bij hogere temperaturen dan nu mogelijk is. We stellen dat de metamateriaalbenadering van diëlektrische responsengineering de kritische temperatuur van een samengesteld supergeleider-diëlektrisch metamateriaal aanzienlijk kan verhogen, zeggen ze.
Horen we kamertemperatuur? Misschien nog niet. Dit is op dit moment slechts een idee en er liggen tal van belangrijke uitdagingen in het verschiet. De eerste is om een manier te vinden om een supergeleidend metamateriaal te ontwerpen en de supergeleidende eigenschappen ervan te voorspellen. Daarna zou de grote uitdaging komen om het te synthetiseren.
Beide prestaties lijken ver weg te zijn. Niettemin is de wetenschap van metamaterialen snel geëvolueerd. In amper tien jaar tijd is het van fantasieboekfictie veranderd in de constructie van werkende onzichtbaarheidsmantels, kunstmatige zwarte gaten en zelfs synthetische universums.
Dat is de reden waarom alleen een dwaas zou wedden dat supergeleiding de volgende stap zou zijn op de bedstijl van metamateriaal.
Referentie: arxiv.org/abs/1311.3277 : Is er een metamateriaalroute naar supergeleiding bij hoge temperaturen?