Magnetiska virvlar i supraledare kan ge superteleskop

Jörgen Städje
5 månader sedan

Ett mycket obskyrt fenomen i supraledare, sk Abrikosov-virvlar, tilldrog sig nobelpriset i fysik år 2003. Supraledare kan drivas på gränsen av sin supraledande förmåga och då uppstår ett antal fenomen som kan bli mycket nyttiga i framtiden. Här handlar det inte om att bara leda massor av ström, utan om hur strömmen plötsligt avbryts.

Vi ska nu ge oss in i det märkliga gränsland där en legering står och velar mellan att vara supraledare eller inte. Vissa vedertagna regler gäller, andra inte. Det är i gränslandet som intressanta saker sker.

”Coherent magnetic vortex motion in optically formed channels for easy flow in YBa2Cu3O7-X superconducting thin films.” står det som rubrik på en vetenskaplig avhandling i Applied Physics från juni 2013, skriven av bland andra Arturas Jukna vid Vilnius Gediminas Technical University i Vilnius i Litauen. Rubriken låter jätteimponerande, men vad är det?

Det handlar om hur de magnetiska egenskaperna i 50 my breda och 100 my långa supraledare av yttrium-barium-kopparoxid (YBCO), där man delvis avlägsnat en del syreatomer, underlättar rörelsen hos magnetiska virvlar, strax under den kritiska temperaturen där supraledning inträffar. Kanalerna där vivlarna rör sig, skapas genom att man ritar 5 my breda spår i ytan på den supraledande filmen med en laser på 0,3 watt, vilket resulterar i smala områden i kristallen med minskat syreinnehåll. Den syrefattiga kanalen uppvisar lägre kritisk temperatur (Tc), såväl som lägre kritisk strömdensitet och kritisk magnetisk fältstyrka än en obehandlad yta.

Man skickar en ström genom supraledaren och mäter spänningsfallet med en känslig voltmätare. Den ström som genomflyter mätbryggan skapar ett magnetfält som tränger igenom kanalen och där skapar magnetiska virvlar, sk abrikosov-virvlar, som rör sig koherent längs kanalen. Virvlarna är inget annat än helt vanlig virvelström, som uppstår i vilken motor som helst, men de uppträder endast inom det smala temperaturområdet 0,943 Tc – 0,98 Tc och visar sig som steg i mätbryggans ström-spänningskaraktäristik. Detta visar att kanaler för magnetiskt flöde som skapats med laser kan användas för exakt styrning av hur virvlarna formas och för att styra deras koherenta rörelse längs förutbestämda områden på YBCO-enheter av tunnfilmstyp.

Blev det klarare? Det rör sig alltså om mycket små supraledande enheter där meissnereffekten inte gäller, du vet det där fenomenet som gör att supraledaren stöter bort alla magnetiska fält, vilket resulterar i att små magneter kan flyta ovanpå en supraledare som ett maglevtåg. Fenomenen uppträder inom ett mycket smalt driftområde och enheten får egenskaper som gör att den kan användas som en mycket känslig sensor.

Bild: Audrone Vodzinskaite.

Detta ska visa sig inte enbart ha akademiskt intresse. För att förstå fenomenet och vad man kan ha det till, talar vi med Arturas Jukna, professor och institutionsledare för fysikinstitutionen vid VGTU i Vilnius, som ungefär motsvaras av KTH i Stockholm.

– Institutionen här är ganska stor, med cirka 40 professorer och assisterande professorer som både undervisar och forskar i fysik. Själv arbetar jag med grundforskning inom materialvetenskap, inom området supraledande material. Jag sysslar med supraledande materials elektriska, magnetiska och optiska egenskaper. Jag har också arbetat på institutionen för materialvetenskap på KTH.

VGTU har för närvarande strax under 20.000 studenter och är det näst största universitetet i Litauen. För närvarande kan Litauen tyckas stå på en ganska låg internationell nivå inom supraledarforskningen vad gäller möjligheter att undersöka och producera. Detta har naturligtvis ekonomiska orsaker. Men å andra sidan kan vi samverka med andra länder. Härvarande fysikinstitution samarbetar med motsvarande institution vid Rochester University i New York i USA. Det var på denna institution man byggde den första enfotondetektorn (mera nedan). Experiment med enfotonsteleskop började under tidigt 1990-tal vid Rochester. Jag kom själv till USA år 2002 och började arbeta med supraledare. Så vad ska man säga om nivån på supraledarforskningen i Litauen? Egentligen är den väldigt hög, eftersom vi arbetar med de mest avancerade teknikerna, på samma nivå som i USA, med samma typ av mätinstrument. Vi kan till exempel låta amerikanerna skapa en supraledare och ta hit den och mäta på den här. Vi publicerar också många vetenskapliga utredningar tillsammans, säger Arturas.

Hur fungerar en supraledare?

Det är fortfarande ingen som vet varför ett ämne blir supraledande, eller vad som får det att bli supraledande vid en viss temperatur.

Man kan se att alla supraledare har gemensamma egenskaper. Den mest kända är att ledarens resistans helt försvinner, det sk meissnertillståndet. Supraledningen styrs av två faktorer, den kritiska temperaturen T_c och det kritiska magnetfältet H_c. Supraledningen upphör (och övergår i det sk normaltillståndet) vid temperaturer över T_c och vid fält över H_c, men övergången är inte skarp. I själva verket finns det två kritiska fältstyrkor, kallade H_c1 och H_c2 (som naturligtvis är olika för olika supraledare).

Över H_c1 finns ett blandtillstånd (mixed state, shubnikovtillståndet) där supraledaren är permeabel för magnetfält. Man väljer det supraledande materialet i kanalen så att den omkringliggande YBCO befinner sig under T_c medan materialet i kanalen befinner sig i blandtillståndet vid samma temperatur, nämligen flytande kväve, 77K. Över H_c2 övergår supraledaren till isolator, det sk normaltillståndet.

Meissnereffekten orsakar strömförträngning, så att den elektriska strömmen egentligen bara rör sig i ledarens ytskikt. När fältstyrkan kommer upp över H_c1 börjar strömmen kunna penetrera supraledaren allt längre in. Till sist kan strömmen flyta i hela supraledaren.

Bild: Mai-Linh Doan, Creative Commons

Meissnereffekten anger att en supraledare inte kan penetreras av ett magnetfält. Istället stöts fältet bort av det motmagnetfält som induceras i supraledaren. Det är av den anledningen som små magneter kan flyga i luften ovanför en supraledare. Men i blandtillståndet uppstår magnetiska virvlar, abrikosov-virvlar eller fluxoner (Ф0), där det magnetiska flödet tränger igenom supraledaren eftersom materialet i mitten av virveln är i normaltillståndet. Magnetfältet rinner igenom som vatten genom en sil. Den flygande magneten skulle falla ned.

När en flödeslinje går igenom en ledare gör den som den brukar, den genererar en ström som flyter kring den, som vilken virvelström i vilken elektromagnetisk generator som helst. När en supraledare i blandtillståndet genomflyts av ett magnetfält uppstår en matris av virvlar med ungefär 4 nanometers diameter, en sk abrikosov-matris (av abrikosov-virvlar). Eftersom virvlarna är av lika riktning, eller har lika tecken om man så vill, stöter de bort varandra, krockar inte och kommer inte att flyta samman. Materialet kommer i möjligaste mån att fyllas med virvlar.

En matris av abrikosov-virvlar som snyggt står och stampar och stöter bort varandra i supraledande magnesium-bor.

Om en smal supraledare i blandtillståndet genomflyts av en ström som genererar ett cirkulärt magnetfält kring ledaren, kommer fältet att flyta exempelvis uppåt vid ledarens ena sida och nedåt på den andra. Abrikosov-virvlarna som bildas vid ena sidan blir uppåtriktade och på den andra sidan nedåtriktade, dvs får motsatt tecken. På grund av strömmen (transportströmmen) dras de då emot varandra av en kraft kallad Lorenz-kraften. Man kan också se det som att magnetfältet försöker dra ihop sig så mycket som möjligt. När en upp-virvel och en ned-virvel möts i mitten av ledaren kommer de att annihilera varandra.

Men i samma stund som två virvlar annihileras kommer två nya virvlar att bildas ute vid ledarens kanter och börja röra sig inåt mot mitten och annihileras. Det är det som kallas för koherent rörelse. Resultatet är att det alltid kommer att finnas samma koncentration av virvlar vid en given ström. Ju högre transportström och därmed magnetfält man har, desto flera virvlar bildas och annihileras per tidsenhet. Detta kan man klart och tydligt mäta.

Supraledaren i praktiken

För att kunna mäta strömmar och spänningar i något som är nära noll ohm behöver man en mätbrygga, en väl definierad liten provsträcka.

Mätbryggorna byggs upp på ett tunt isolerande substrat, ungefär som en halvledarchip. Bilden visar en av många mätbryggor som byggs upp på samma chip. Hela anordningen är supraledande i och med att den är uppbyggd av en supraledande film som är 0,3 μm tjock, lagd ovanpå ett substrat av lantan-aluminiumkristall. Bryggan avgränsas utåt av ett laserritat spår som är isolerande vid kryogenisk temperatur, genom att allt för många syreatomer tagits bort i YBCO-kristallen (se nedan). De fyra kontaktpunkterna av silver eller indium är i princip helt hopkortslutna, om det inte vore för den tunna kanalen i mitten. Det är den man mäter spänningsfallet över.

Varför måste man ha dubbla kontaktpar på var sida om kanalen? Man skickar på ström mellan de yttre kontaktparen och mäter mellan de inre. Men varför hade man inte lika gärna kunnat mäta mellan de yttre kontakterna och spara ett ledarpar ut från den kryogeniska kaviteten?

Det spelar ingen roll om kontaktytorna är av silver eller guld, det blir alltid ett litet spänningsfall över strömmatningskontakterna och i förhållande till ett mätobjekt som är nära noll ohm är varje spänningsfall gigantiskt och så skulle även mätfelet bli. Voltmetern har å andra sidan en inre resistans på många megaohm och då är en kontaktresistans på några mikroohm inte av betydelse.

Hur virvelkanalen tillverkas, diskuteras mera nedan.

Så här kopplas provet in. Allting befinner sig i ett förslutet dewarkärl med flytande kväve, såväl supraledaren som ena lödstället på ett termoelement, medan termoelementets andra lödställe befinner sig ute i fria luften. Ledarna som för in ström och tar upp mätvärden är partvinnade för att minska mängden störningar. Dewarkärlet, som är av metall, bidrar givetvis till skärmningen. Voltmätarna väldigt känsliga, med en noggrannhet på 100 nV, så förförstärkare behövs inte. Alla mätvärden och inställningar överförs till mätdatorn via GPIB-buss och bearbetas i Labview för att ge färdiga ström-spänningsdiagram.

Mätbryggans ström-spänningskaraktäristik är olinjär och ser ut som en trappa.

Varje steg i kurvan innebär att ytterligare ett virvel-antivirvelpar bildas och annihileras per tidsenhet. När strömmen ökas, ökar magnetfältet och virvlarna knökas ihop tätare i det givna området som kanalen innebär, men en ny fluxon bildas inte förrän strömmen ökat tillräckligt för att räcka till för en ny sådan. Det uppstår alltså tydliga steg i spänningskurvan för varje ny fluxon som bildas.

Diagrammet ovan visar ström-spänningskarakteristiken för en YBCO-enhet bestående av en enda kanal med måtten 0,3 x 50 x 100 μm. Kurvan uppmättes vid T = 0,959 T_c. Spänningsstegen U_st uppstår när ytterligare en virvel och en antivirvel bildas i kanalen och virvlarnas hastighet längs kanalen ökar. Ser du det fina? Fantastiskt små steg i magnetfält (= strömsteg om cirka 8 mikroampere) ger tydligt urskiljbara spänningssteg! Genom att bygga ett antal kanaler i en matris skulle man kunna skapa en ytterst känslig magnetfältskamera med känsligheter kring ett enda flödeskvantum, Ф0.

Nu är 10 μV inte särskilt mycket spänning, men man kan laserrita flera spår bredvid varandra, låt oss säga 100 stycken. Det gör inte anordningen känsligare, för man kan inte mäta mindre än en fluxon. Men spänningssteget blir 100 gånger större, 1 mV med samma ström. Inte nog med det. Man skulle kunna ha flera enheter med olika T_c tillsammans så att de kunde agera temperatursensorer också. Då skulle man kunna uppnå upplösningar i stil med 10E-4 K och resistansen kunde tänkas ändras från 10 ohm till noll inom 0,1 K.

När supraledarkretsen kommer från tillverkningen i kemiinstitutionen får Arturas den i ett litet provrör som det på bilden.

Knackar man ut den lilla flisan ur provröret och lägger den på mikroskopets bord ser den ut så här. Den är inte mer än cirka 5×5 millimeter. Du ser de dubbla elektrodparen av silver som lite ljusare plättar än det mörkare YBCO-materialet runt omkring. Mellan dem kan du också skönja de något mörkare laserritade kanalerna. Den vita ramen har jag ritat dit i efterhand för att du tydligt ska se vad som utgör en mätbrygga. Substratet ser ut att vara av glas, men det är alltså en lantan-aluminiumkristall.

Den magnetoptiska mikroskopbilden verifierar att kanalen finns och fungerar. Bilden är tagen vid en temperatur på 0,658 x T_c och med ett penetrerande magnetfält på 0,028 tesla. Men ser tydligt att magnetfältet lättare penetrerar själva kanalen än områdena runt omkring. Där det är mörkt på bilden, penetrerar fältet inte alls, dvs meissnereffekten råder.

Bilden är tagen i ljusmikroskop och det supraledande provet har täckts med ett material som förändrar sin polarisation beroende på hur starkt magnetfältet är. Därefter belyser man provet med polariserat ljus och ser var man får reflektion från provets yta.

Hur skapas supraledaren

YBCO är vad man kallar en keramisk halvledare.

YBCO bildar en jämn kristall. Yttriumatomerna är gula, barium lila, koppar gröna och syre röda i bilden. Du ser hur lätt det är att komma åt att sprätta bort en syreatom? Syreatomerna binder fyra andra atomer inuti kristallen på bilden, men bara tre uppåt och nedåt. Där ska givetvis nästa bariumatom i kristallen haka på.

Den supraledande YBa₂Cu₃O_7-x -filmen ångas med en ångdepositionsprocess (Metalo-Organic-Chemical-Vapor Deposition, MOCVD) på ett isolerande substrat av lantan-aluminiumoxid (LaAlO₃ eller SrTiO_{3 ,}NbGaO₃ osv). med dimensioner kring 4 x 6 millimeter som värms till 800-850°C. Depositionsprocessen utförs inuti en kammare kallad reaktor. En datorstyrd injektor pustar in mycket exakta mikrodoser av en organisk lösning bestående av en blandning av Y(tmhd)₃, Ba(tmhd)₂ och Cu(tmhd)₂(tmhd = 2,2,6,6-tetrametyl-3,5-heptandionat) i lämpliga proportioner. Evaporatorns temperatur hålls på 300°C för att den organiska lösningen omedelbart ska avdunsta, varpå ångan snabbt förs in i reaktorn med hjälp av argon eller syrgas och där avsätts på substratet.

Det är viktigt att du förstår att det inte rör sig om kisel och att vi definitivt inte talar om halvledare. Substratet är av just detta kristallmaterial för att avståndet mellan atomerna passar lagom till avståndet mellan atomerna i YBCO-kristallen. Skulle det bli misspass, som i bilden nedan, skulle det uppstå felaktigheter i YBCO-kristallen och det skulle bli trasiga ställen som inte var supraledande, eller ställen som uppvisade väldigt mycket ”pinning”, hållkrafter som förhindrar de magnetiska virvlarna att vandra fritt. Felaktigheter blir det ändå, men med lämplig efterbehandling av YBCO kan man övervinna dem.

Som exempel ser du här en elektronmikroskopbild av tvärsnittet av en kiselkristall nederst, som belagts med ett lager isolerande kiseldioxid och ovanpå detta polykisel. Prickarna är enskilda atomer. Det är grav misspassning mellan avstånden mellan atomerna i de olika lagren och det leder till röra i gränssnittet. I just detta fall, en halvledartransistor, spelar det ingen roll för den är inte i atomstorlek, men för supraledare som bara är några atomlager tjocka kan det bli katastrof.

Intressant nog kan CVD också användas till att skapa kolkristaller, alltså absolut felfria syntetiska diamanter. De går att få upp till 15 centimeter stora. Exempelvis Scio Diamond Technology Corp. i USA ägnar sig åt sådant. De gamla, traditionella diamanthandlarna bävar. Blodsdiamanternas tid kan vara förbi.

Hur gör man kanaler?

Kanalerna är områden på supraledaren som gjorts lite svagare supraledande vid en bestämd kryogenisk temperatur. Man gör dem som avlånga spår som virvlarna kan flyta fram längs. Kanaler är därför en bra liknelse.

Man brukar skriva formeln för YBCO som YBa₂Cu₃O₇−x (minus x på slutet). Supraledningen hos materialet är beroende av värdet på x i slutet av formeln, alltså kristallens syreinnehåll. Endast YBCO-material som har 0 ≤ x ≤ 0,65 blir supraledande under T_c. När x är ~0,07 är materialet supraledande vid den allra högsta temperaturen 95 K eller i de starkaste magnetiska fälten, nämligen 120 tesla tvärs och 250 T längs kristallens CuO₂-plan.

Man kan förändra T_c genom att ta bort en eller flera syreatomer här och var ur YBa₂Cu₃O₇-kristallen. Materialet värms till cirka 600°C med en mycket smal laserstråle med ett fokus på ~5 µm. Detta får syreatomerna att sprätta iväg ur kristallen och de blåses därefter bort med en ström av inertgas som kväve eller helium. När materialet kallnat till rumstemperatur sker ingen återoxidering. Kanalen blir alltså ett syrefattigt område. Inom detta område kan Lorenz-kraften som drar de magnetiska virvlarna mot varandra överstiga pinning-kraften, den kraft som håller kvar virvlarna i kristallens oundvikliga orenheter. Orenheterna bildar störningar i den i övrigt regelbundna YBCO-kristallen där virvlarna gärna fastnar och hålls kvar (”pinning”, jfr kartnålens funktion)

Eders undertecknad sitter och är fascinerad. Bild: Audrone Vodzinskaite.

Kryogeniska kärl

För att supraledaren ska kunna fungera och användas för mätning, måste den befinna sig i ett kryogeniskt kärl, en termos, neddoppad i flytande kväve.

Bild: Audrone Vodzinskaite.

Här visar Arturas ett dewarkärl (termos) och ett kryogeniskt spjut som doppas ned i den. Samtidigt försluter man termosens öppning med en delbar kork av frigolit. Korkarna har flera diametrar eftersom han har dewarkärl från olika tillverkare. Supraledaren monteras på den lite grövre änden nedtill och de vita mätledarna kommer ut upptill.

Bild: Audrone Vodzinskaite.

Arturas justerar en kontakt på kryospjutets business end. De fyra kontaktfjädrarna ska trycka mot de fyra kontaktpunkterna på YBCO-flisan. Flisan är alltså inte monterad i detta stadium, men ska sitta mitt på den lite avrundade kopparplattan. De fyra vita ledarna partvinnas och går upp ur den kryogeniska miljön genom röret, åt höger.

Bild: Audrone Vodzinskaite.

Anordningen i förra bilden kan bara användas för enklare, kortvariga mätningar i atmosfärstryck. När mätningen ska pågå under längre tid måste supraledaren befinna sig i vakuum för att isoleras bättre från omvärlden. En kryostat som på denna bild kan hålla temperaturen en dag. Detta kryospjut har en stor behållare för flytande kväve upptill. Både kvävebehållaren och spjutet nedsänks i ett yttre vakuumkärl och supraledaren kommer inte i kontakt med kvävet direkt. Med den förra, enklare anordningen varierar temperaturen på provet beroende på hur nära ytan av det flytande kvävet det befinner sig, men det går å andra sidan fort att få igång en mätning.

Med denna anordning tar det längre tid att komma igång, men mätningen kan fortgå längre eftersom temperaturen blir stabilare. Egentligen önskar Arturas sig en automatisk anordning som kan pytsa i mera kväve när det gamla har kokat bort, så att mätningarna kan fortgå under ännu längre tid, gärna 2-3 dagar utan att vidröras av människohand.

Bild: Audrone Vodzinskaite.

Här är vakuumanordningen i närbild. Kopparkärlet fylls med kväve genom den mittersta nippeln i locket till vänster, medan mätapparaturen ansluts till bananuttagen närmast i bild. Därefter sänkas allting ned i vakuumkammaren (från höger i bild) och kammaren pumpas tom på luft genom nippeln längst bort på locket.

Bild: Audrone Vodzinskaite.

Nederänden av det kryogeniska spjutet i närbild. För tillfället är inget monterat på experimentytan längst till höger. Även kontaktfjädrarna är bortmonterade. Den extra kopparplattan med två grova ledare ovanför (till vänster om) monteringsplattan är ett termoelement av typ K för mätning av anordningens innertemperatur. Den andra änden av termoelementet är fastskruvad på utsidan av kryostaten (den brunaktiga klumpen intill det svarta bananuttaget i förra bilden).

Mätrack

Mätledarna som kommer ut ur det kryogeniska kärlet ansluts dels till olika strömgeneratorer, dels till voltmätare och en dator som styr generatorer och mätinstrument via GPIB-buss. Allting sitter i en nittontums mätrack.

Bild: Audrone Vodzinskaite.

Det är inte utan stolthet som Arturas demonstrerar hur mätracken fungerar. Utrustningen och programlicenserna var inte helt billiga, men har finansierats av både EUs infrastrukturfonder och litauiska staten i ett gemensamt program kallat ”LaMeTech National Integrated Programme”.

Bild: Audrone Vodzinskaite.

Överst i racken finner vi tre digitala voltmätare (VM) och en digital strömgenerator (SG) för att strömsätta och mäta på supraledaren och redovisa temperaturen från termoelementet. Därunder står den dator som används för att utvärdera mätresultaten i Labview och styra mätinstrumenten (måhända skvallrar windowsversionen om att artikeln inte är alldeles ny…). Den runda burken Dw är Arturas dewarkärl för förvaring av flytande kväve.

Mätningarna av exempelvis ström-spänningskaraktäristik går till så att man stegar strömmen genom supraledaren upp och ned i steg om någon mikroampere och ser vilket spänningsfall det blir, och låter datorn skapa ett U-I-diagram. Strömmen sveps i vissa experiment från en mikroampere och upp till 10 milliampere. Det är ingen raketvetenskap direkt, det gäller bara att vara alldeles säker på att man faktiskt har den ström man tror man har, och, som vanligt, eliminera störningar på mikrovoltnivå.

Den blanka tingesten märkt UV diskuteras i nästa avsnitt.

Bild: Audrone Vodzinskaite.

Vi körde inga experiment när jag var i Arturas labb, utan han hade färdiga mätserier att visa upp. Den visade apparaturen har använts för att mäta upp alla de förlopp som publicerats i den vetenskapliga artikeln i Applied Physics B.

UV-lampa laddar lysämne

Den blanka lampan (UV) längst ned till höger i mätracken är en ultraviolett lampa som löser ett helt annat problem (och den förfärliga bruna lådan till vänster med luftgälar är ett ryskt nätaggregat till densamma). Lampan används när Arturas studerar supraledarnas fotoelektriska egenskaper, dvs han lyser på dem och ser vad som händer. Det är inte lätt att få in ljus i en kryogenisk kavitet, för den består av en helt försluten ståltermos. Där inne är det mörkt och det går inte ha en lampa därinne för den avger värme och förstör den kryogeniska kylan. Men fosforescens är kallt ljus och genom att ladda ett speciellt fosforescerande ämne som tagits fram på VGTU med UV-ljus kan det efterlysa en hel timme på det supraledande provet, i 77 kelvin.

Praktisk användning

Allt det där låter toppen, men vad ska man ha det till?

– Nja, säger, Arturas, vi bedriver grundforskning och det är egentligen inte upp till oss att bestämma de kommersiella tillämpningarna, men själv kan jag tänka mig oerhört känsliga magnetometrar, eller för den delen känsliga strömmätare. Vår process uppvisar känsligheter i klass med 10E-15 Weber per kvadratmeter (kallat Ф0) och mätningar av solens och planeternas magnetfält i interstellär rymd ligger kring mikrotesla. Justerat för storleken på en typisk sensor är 1 µT = 10^-10 Wb/cm² och då går det att komma fem tiopotenser under detta innan bruset blir betydande. En vanlig kompass reagerar på ett fält omkring 10^-5 Wb/cm².

Man skulle kunna framställa mycket känsliga magnetfältsmätare med känsligheter kring en fluxon, alltså en magnetisk kvantpartikel med flöden kring ± Ф0. som diskuterat ovan. Det kommer att bli av mycket stor vikt för rymdforskningen, partikelfysiken osv.
Med supraledare i blandtillstånd skulle man kunna bygga radiosändare som matar ut oerhört korta radiopulser. Korta radiopulser betyder hög bandbredd och hög bandbredd betyder hög överföringskapacitet för data.
Korta radiopulser blir mycket bredbandiga och en annan idé är att man med antenner uppbyggda av supraledare kan skapa mycket enkla och kraftfulla EMP-vapen. Uteffekten kan bli hög, för supraledare leder mycket ström.

Enfotonsteleskopet

Man kan skapa ytterst känsliga teleskop, enfotonsteleskop, som bygger upp bilder med hjälp av enskilda fotoner, som kan avbilda himmelsobjekt som är så ljussvaga att de inte kan ses för närvarande. Känsligare kamera än så kan inte byggas, för det finns inget ljussvagare än en foton.

Ljuset från alla objekt i världsrymden är mer eller mindre rödförskjutet. Ju snabbare objekten rör sig från oss, desto mera rödförskjutet blir deras ljus. Objekt såsom urgalaxer som skapades väldigt tidigt efter Big Bang är så rödförskjutna att deras våglängd hamnat kring 15 mikrometer och inte längre kan ses med vanliga teleskop (och Big Bang självt är så rödförskjuten att den hamnat i mikrovågsområdet och kallas för mikrovågsbakgrunden).

Objekten är dessutom väldigt ljussvaga. Det rör sig om enskilda fotoner som når oss i en inte allt för strid ström. För att kunna se dessa fotoner behöver man ett teleskop i stil med rymdteleskopet Herschel, vars germanium-galliumdetektorer låg nedkylda till absoluta nollpunkten, befann sig ute vid andra lagrangepunkten och kostade miljarder. Herschel kunde se i området 60-210 mikrometer men kunde ändå inte räkna enskilda fotoner. Herschel har dessutom numera förlorat sin kryogeniska kylning och har stängts av.

Herschels uppfattning om Orionnebulosan, huvudsakligen bestående av kosmiskt damm som reflekterar infrarött ljus i våglängdsområdet 70-250 mikrometer. Bilden visar alltså inte ljus och inte färger, utan strålning som ligger nära mikrovågsområdet. Bild: ESA.

Det andra problemet är att vanliga kiseldetektorer (CCD-arrayer) inte fungerar vid 15 mikrometer. Andra typer av fotometrar är inte särskilt känsliga eller kan bara registrera en enda punkt. Se till exempel Iqeye (Italian Quantum Eye) som består av fyra fotonräknande specialdioder som räknar inom området 350-925 nm, som installerats på teleskopet i La Silla och sitter och räknar fotoner.

En foton representerar en oerhört liten energimängd, 4x10E-19 J, men den går att mäta. Att bygga ett teleskop som kan visa en bild av det ytterst ljussvaga universum som strålar emot oss i form av enstaka fotoner är ännu mycket svårare, men det går, det också, med hjälp av smala, ormformade supraledare.

Fotonen slår ett hål i supraledningen genom att den avsätter sin energi i ledaren, höjer temperaturen just där, slår sönder supralednigen och tvingar strömmen att gå runt hålet. Supraledarens tvärsnittsarea är inte längre densamma, utan har minskat. Plötsligt överskrids den kritiska strömmen per ytenhet, supraledningen upphör och spänningen stiger. Det går på en femtosekund. När fotonen klingat av återkommer supraledningen snabbt, på cirka 1,5 pikosekund.

Det här att låta fotonen ha sönder supralednigen termiskt är inte Arturas idé. Hans idé är mycket smartare. Han tänker sig istället att fotonen genom sin energi skulle kunna skapa en abrikosv-virvel och således ge upphov till samma typ av ström-spännings-karaktäristik som de enheter han redan arbetar med. Ännu så länge vet han inte om detta går att uppnå. Det är bland annat därför han vill kunna ha ljus inuti ett dewarkärl.

Enfotonsteleskopet kopplas på samma sätt som Arturas enheter. Man skickar kritisk ström genom supraledaren på strömmatningselektroder och mäter spänningsfallet. Normalt ska det vara noll, men när en foton slår sönder supraledningen stiger spänningen snabbt. Det enda som kan sakta ned den stigande flanken är induktansen i kretsen och därför utför man ledaren som en orm, eller mera tekniskt en bifilär spole där induktanserna tar ut varandra. Samtidigt får man stor yta, vilket behövs, för man vet ju inte var fotonen träffar.

Därefter är allt en fråga om att lägga tillräckligt många fotonfällor på samma lantan-aluminiumoxid-kristall och eventuellt förse dem med en sekundär, rent elektrisk CCD-array som kan fånga upp laddningarna, som i sin tur kan scannas som vi är vana vid.

Genom att man kan mäta enskilda fotoner borde man också kunna svara på frågor som: Hur stor är en foton? Hur lång tid tar den på sig? Är den avlång? Är den rund? Har den suddiga kanter?

Elektromagnetiska vapen är bara en direkt fortsättning på detta fenomen. Antag att man har en supraledare utförd som en antenn som genomflyts av hög ström och man skickar en snabb laserpuls på den. Då upphör supraledningen och resultatet blir en mycket bredbandig elektromagnetisk puls. Vill man ha en kraftigare puls ökar man bara strömmen.

Ytterligare en tillämpning är EMC-skydd för elektronisk utrustning. Vanliga smältsäkringar är inte särskilt snabba, utan vid snabba fenomen som åska brukar det vara halvledarutrustningen som skyddar säkringen genom att gå sönder först. Om säkringen vore supraledande och låg vid sin kritiska ström, skulle en yttre strömpuls eller ljuspuls från en blixt få den att stänga omedelbart, och reagera mycket fortare än någon typ av halvledare, och på så sätt säkra halvledarna. Samma fenomen skulle kunna användas både som vapen och som skydd.

Man arbetar hårt på att skapa supraledare som fungerar i rumstemperatur, eller ännu högre temperaturer, för användning i elkraftdistribution. Det skulle helt förändra värden runt omkring oss. Jämfört med koppar skulle kraftledningar bli tio till femtio gånger mindre. Magnettåg skulle bli realistiska.

Avslutning

Arturas och undertecknad håller kryovakuumkärlet i samförstånd. Notera den store Max Planck i bakgrunden, mannen som gav elektronen ett ansikte. Bild: Audrone Vodzinskaite.

Jag slutar som jag brukar med att fråga om vad intervjupersonen anser om framtiden inom hans bransch. Här släpper Arturas supraledningen helt och hållet och övergår till undervisningen inom naturvetenskaperna i allmänhet, när han säger:

– Jag tror att vetenskap är ett sätt att göra människor lyckligare, eftersom vi får mera kunskaper om världen omkring oss och med djupare kunskaper blir vi lyckligare eftersom vi inte riskerar att råka ut för oförklarliga händelser. Det är därför jag arbetar med vetenskap. Dessutom tror jag att om man bara tänker på mat och vardagliga saker så hjälper det inte så mycket eftersom det dyker upp nya tekniker och apparater varje dag. Vi måste ha människor som förstår alla nya tekniker. Det är därför jag arbetar på ett universitet och försöker lära eleverna det jag vet och på så sätt ta del av det stora arbete vi kallar utbildning. Eftersom utbildningens kvalitet är beroende av de som arbetar inom området, försöker jag göra mitt jobb så bra som möjligt. Arbetet är intressant, eftersom man ständigt måste försöka förstå vad andra människor tänker. Mina elever frågar om många intressanta saker som vi talar om i den akademiska världen, men på ett sätt som är viktigt för dem och jag måste hitta på ett sätt att överföra informationen så att det passar dem.

– Vad gäller min egen framtid, skulle jag vilja tillägga att arbetet är svårt. Att det är svårt betyder att jag är på väg åt rätt håll. Om jag hamnat vid sidan av vägen, men ser en utväg och den är svår, vet jag att det är rätt väg. Det finns inga enkla vägar inom vetenskapen.

Här känner jag att jag hittat en själsfrände, en person som sett problemen i utbildningen som den är idag och har insett vikten av djupast möjliga förståelse för naturvetenskaperna och hur nationen kan dra nytta av detta.