Magneet zet wereldrecord op 45.5 Teslas

Het is het sterkste continue DC magnetische veld ooit geregistreerd en zou wetenschappers kunnen helpen bij het bestuderen van kernfusie en exotische toestanden van materie

Een nieuwe, uit meerdere componenten bestaande, gedeeltelijk supergeleidende elektromagneet – momenteel ’s werelds sterkste gelijkstroommagneet van welke soort dan ook – staat op het punt om de weg te wijzen naar nog veel sterkere magneten. De nieuwe magneettechnologie kan wetenschappers helpen bij het bestuderen van tal van andere verschijnselen, zoals kernfusie, exotische materietoestanden, “vormveranderende” moleculen en interplanetaire raketten, om er maar een paar te noemen.

Het National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee, Florida, herbergt vier soorten geavanceerde, ultrasterke magneten. Eén ondersteunt magnetische resonantiestudies. Een andere is geconfigureerd voor massaspectrometrie. En een ander type produceert de sterkste magnetische velden ter wereld. (Zuster MagLab-campussen aan de Universiteit van Florida en Los Alamos National Laboratory bieden nog eens drie magneten met hoge capaciteit voor andere onderzoeksgebieden.)

Het is die laatste categorie op de campus in Tallahassee – ’s werelds sterkste magneet – die het nieuwste onderzoek probeert aan te vullen. De zogenaamde MagLab DC Field Facility, in gebruik sinds 1999, nadert de grens in de sterkte van de magnetische velden die het kan produceren met de huidige materialen en technologie.

De MagLab DC-magneet handhaaft een constante 45 Tesla veldsterkte, die tot voor kort het sterkste continue magnetische veld was dat ter wereld werd geproduceerd. (Tesla, niet te verwarren met het gelijknamige merk van elektrische auto’s, is ook een eenheid van magnetische veldsterkte. Hoe hoger de Tesla-waarde, hoe sterker de magneet. Ter vergelijking: een typische MRI-machine is gebouwd rond een supergeleidende magneet met een veldsterkte van ongeveer 3 Tesla. Het magnetische veld van de aarde, voelbaar aan het oppervlak van de planeet, is 0,00005 T.)

De nieuwe onderzoeksmagneet steekt een haartje boven de MagLab DC Field-magneet uit, met een continu veld van 45,5 T. Maar het is niet de geringe voorsprong in sterkte die zo veelbelovend is, zegt David Larbalestier, hoofd-materiaalwetenschapper bij het Magnetic Field Laboratory.

“Dit is een bruggenhoofd naar het 50 Tesla-gebied,” zegt Larbalestier.

De nieuwe magneet, beschreven in een recente brief aan het tijdschrift Nature, maakt gebruik van een hoge-temperatuur supergeleidend materiaal, afgekoeld tot vloeibare heliumtemperaturen die de oude-school supergeleiders gebruiken. Door deze supergeleider af te koelen tot onder zijn kritische temperatuur (de temperatuur waaronder hij alle elektrische weerstand verliest) kan hij in feite grotere stromen aan. En hogere stromen leiden natuurlijk tot hogere magnetische velden.

Eldere supergeleiders, zoals die in MRI-magneten worden gebruikt, kunnen geen magnetische velden aan van meer dan 30 Tesla, aldus Larbalestier. De Cooper-paren van elektronen, de sleutel tot de kwantum-supergeleidende eigenschappen van het materiaal, worden te onstabiel, zodat de supergeleider zijn nul-weerstandseigenschappen verliest en wordt als een achtbaans snelweg die tot stilstand wordt gebracht.

Het vermijden van een zogenaamde catastrofale “quench” is essentieel om een supergeleidende magneet voor langere tijd te kunnen gebruiken. (De supergeleidende magneten van de Large Hadron Collider hadden in 2008 met dit probleem te kampen.)

“We gebruiken deze in vloeibaar helium, omdat de supergeleiding sterker wordt naarmate je de temperatuur verlaagt,” zegt Larbalestier. “En wat we willen voorkomen is dat de supergeleiding wordt vernietigd door het magneetveld.”

De andere innovatie die de magneet helpt om uitdoving te voorkomen of te verminderen, is het ontbreken van isolatie. Larbalestier zegt dat een typische elektromagneet elektrische isolatie zou hebben tussen lagen supergeleidende tape.

Maar zijn groep ontdekte dat niet-geïsoleerde tape die laag over laag wordt gelegd – zoals meerdere Ace-verbandjes die om de enkel van een atleet worden gewikkeld – zich een beetje gedraagt als een supergeleider die uit één laag bestaat.

Dus een obstakel of onzuiverheid in het supergeleidende rooster kan, in een stuk tape van zeldzaam aardbariumkoperoxide (REBCO) dat uit één laag bestaat, Cooperparen hebben belemmerd en dat deel van de supergeleider hebben verhit tot boven de overgangstemperatuur.

Het vermijden van de isolatie zorgt ervoor dat de Cooperparen om een onzuiverheid in het rooster heen kunnen, waardoor de demping wordt voorkomen.

Het onderzoeksteam heeft het vermogen van de magneet om sterkere velden aan te kunnen gestaag verbeterd. (Ze hebben ook het veld opgevoerd door de supergeleidende magneet binnen een grotere koper- en zilvermagneet te plaatsen.)

“We zijn nog steeds geïnteresseerd in het verleggen van de voorhoede,” zegt Larbalestier. “Dus de binnenkant van de nieuwe 32 T gebruikersmagneet is gemaakt van deze REBCO-band. En we zagen de mogelijkheid om nieuwe varianten van de tape te krijgen… die heel dun waren, en een nieuwe methode om een supergeleidende magneet te construeren zonder isolatie, uitgevonden door de hoofdauteur van ons artikel, Seungyong Hahn.”

De groep denkt dat het hun technologie kan doorontwikkelen tot minstens in de jaren 50 van de Teslas van veldsterkte. Maar Larbalestier ziet geen duidelijke reden waarom ze daar zouden moeten stoppen.

“De echte betekenis hier is, dat het een validatie is van deze zeldzame aarde barium koper oxide supergeleiders voor zeer hoog veld gebruik bij lage temperaturen,” zegt hij. “En ik denk dat het duidelijk zegt dat de weg naar 60 Tesla… in principe nu open ligt.”

Dit bericht is bijgewerkt op 18 juni 2019.