Er rumtemperatur‑superledere overhovedet mulige? QMUL siger ja

Superledningens begrænsninger

Elektricitet har været en af de mest transformative teknologier i historien, idet den muliggør transmission af en meget nyttig energiform over lange afstande. Men hvert “normalt” elektrisk system møder elektrisk modstand, hvilket resulterer i varmeudvikling, når en elektrisk strøm påføres.

Et alternativ findes: de såkaldte superledende materialer. Superledende materialer har nul elektrisk modstand, hvilket gør det muligt at anvende ekstremt kraftige strømme uden at generere varme.

Uden superledning ville mange moderne teknologier ikke være mulige, herunder partikelacceleratorer (for eksempel CERN), MR-scannere og magnetisk levitations‑tog.

Superledning vil være en afgørende komponent i de mest lovende megaprojekter og teknologiske innovationer, såsom ITER og kernesfusion, masse‑drivere, kvantecomputere osv.

Strømlinjer uden tab kunne også være afgørende for at udvikle ultralange netforbindelser, som hjælper med at udjævne produktionen af vedvarende energi over vejrmønstre og tidszoner, og dermed løser nogle af begrænsningerne ved sol‑ og vindenergi.

Kilde: XOT Metals

Dog er superledning indtil nu kun mestret i materialer, der udviser den ved ultralave temperaturer, kun få grader over det absolutte nulpunkt. Eller ved ekstremt højt tryk. Eller begge dele.

Dette gør den ikke kun for kompleks for de mest krævende anvendelser (maglev, MR, osv.), men også meget dyr, hvilket gør den økonomisk uholdbar for mange anvendelser, der kunne drage fordel af superledende materiale eller enhver stor‑skala brug.

Mange veje til superledning

Det ser nu ud til, at materialet fremstillet under højt tryk måske kan bevare noget af sin superledning ved lavere tryk gennem en eksperimentel metode kaldet tryk‑afkølings‑protokol (PQP).

For nylig viste den snoede bilag af WSe₂ (tungsten selenid) sig også at være en god materialekandidat til højere temperatur‑superledere.

En anden ny klasse af potentielle superledere, bilag‑nickelater, kan også være blevet tilføjet til listen i år.

Problemet med at finde nye materialer, der er superledere ved højere temperaturer, er, at vi ikke rigtig forstår, hvordan det fungerer. Dette gælder endnu mere for høj‑temperatur‑ eller rumtemperatur‑superledning. I en periode blev det anset for at være fuldstændig umuligt.

Derefter dukkede det gådefulde tilfælde LK-99 (en form for kobber‑substitueret bly‑apatit – CSLA) op, potentielt en ny type af superleder ved atmosfærisk tryk og stuetemperatur. Påstanden blev straks betvivlet og kritiseret som en svindel eller målefejl, men senere opdagede andre forskere, at der måske alligevel foregik noget.

Nye fremskridt inden for teoretisk fysik, udført af forskere ved QMUL (Queen Mary University of London), University of Cambridge og Intellectual Ventures, kan kaste lys over, hvordan rumtemperatur‑superledere måske alligevel er mulige.

De offentliggjorde deres resultater i Journal of Physics: Condensed Matter under titlen “Upper bounds on the highest phonon frequency and superconducting temperature from fundamental physical constants”.

Forståelse af T_C grænsen

Hvert superledende materiale defineres ved en værdi kaldet T_C (kritisk temperatur). For de fleste materialer med superledende egenskaber ligger T_C kun få grader over det absolutte nulpunkt.

Denne nye forskning gik dog videre med at undersøge, hvad de teoretiske grænser for T_C kunne være.

En sådan grænse bestemmes af universets grundlæggende kræfter og konstanter, såsom elektronens masse, elektronens ladning og Plancks konstant.

Dette arbejde viser, at disse konstanter “sætter en øvre grænse for frekvensen af fononer i kondenserede fase‑materialer, eller hvor hurtigt et atom kan vibrere i disse faser”. Dette bestemmer igen det nedre og øvre interval for mulige T_C, da fononer medierer, hvilken superledende temperatur der kan opnås.

Øvre og nedre grænser for T_C

Matematikken og partikel­fysikken, der bruges til at bestemme, hvilken T_C der er mulig eller ej, er ret kompleks og ligger uden for ikke‑specialisters forståelse. For blot at give et eksempel fra den videnskabelige artikel selv i introduktionen:

“I vores beregninger med densitets‑funktionalteori (DFT) anvender vi lignende metoder som i vores tidligere artikel. Dette inkluderer brug af Perdew–Burke–Ernzerhof udvekslings‑korrelations‑funktional, en energigrænse på 1200 eV og et k‑punkt‑gitter med afstanden 2π×0.025Å−1 til at sample den elektroniske Brillouin‑zone.”

For at holde det enkelt undersøger den model, som forskerne har udviklet, hvor høj oscillationsfrekvensen for et atom kan være i faste stoffer eller væsker.

Dette ville sætte den øvre grænse for superledningens T_C til 100 til 1.000 K, eller -173,15 til 726 °C / -279 til 1340 °F. Dette ville gøre superledning, i det mindste teoretisk, fuldt ud gennemførlig ved stuetemperatur.

Det placerer fast stuetemperatur i den mulige zone, hvor superledning er mulig, og ændrer radikalt vores tidligere opfattelse af, at rumtemperatur‑superledning var en teoretisk umulighed.

Dybdegående forståelse af universet

Resultaterne er allerede blevet bekræftet uafhængigt i en separat undersøgelse, hvilket bekræfter, at denne mere detaljerede teoretiske analyse sandsynligvis svarer til den fysiske virkelighed.

Dette bør i høj grad stimulere feltet for superledningsforskning, da der nu findes en teoretisk ramme, der bedre forklarer, hvorfor rumtemperatur‑superledere er mulige.

“Denne opdagelse fortæller os, at rumtemperatur‑superledning ikke udelukkes af fundamentale konstanter. Den giver håb til forskere: drømmen er stadig levende.”

Professor Pickard – Fysikprofessor ved University of Cambridge

Fremtidige anvendelser

Rumtemperatur‑superledere ville være et øjeblikkeligt mirakelmateriale, hvis de blev forstået tilstrækkeligt til at kunne fremstilles i stor skala.

Den første umiddelbare effekt ville være at sænke omkostningerne ved udstyr, der allerede udnytter superledning, såsom MR, magnetisk levitations‑tog, avancerede turbiner og generatorer, partikelacceleratorer, eksperimentelle fusionsreaktorer osv.

Det ville også muliggøre teknologi, som indtil nu enten aldrig kunne realiseres eller var uoverkommeligt dyr på grund af de tekniske begrænsninger ved lav‑temperatur‑superledere.

Dette omfatter hyperloop‑tog, masse‑drivere til at nå kredsløb, kommerciel kernesfusion, interkontinentale netforbindelser osv. Hver af disse er en teknologi, der for altid vil ændre menneskehedens udviklingsvej.

Ledere inden for superledningsløsninger

AMSC er en virksomhed, der leverer energiløsninger til elnettet, skibe og vindenergi. Generelt kræver jo mere strømkrævende eller massiv et system er, desto mere har det brug for superledende teknologi for at undgå overophedning.

På trods af sit navn leverer ASMC ikke kun superleder‑systemer, men også for eksempel gear‑drivlinjer til vindmøller.

Virksomheden drager fordel af flere vækstdrivere, fra trenden med elektrificering og digitalisering (inklusive AI‑datacentre), men også fra tilbageflytning af amerikanske produktionskapaciteter og behovet for flåder i den engelsktalende verden til at modernisere som svar på voksende geopolitiske risici.

Kilde: American Superconductor Corporation [securities_stock_price_tag symbol="AMSC" exchange="NASDAQ"]

I segmentet for strømforsyning har AMSC oplevet en stabil stigning i ordrer. Dette er drevet af halvlederfabrikker, der ønsker beskyttelse mod strømnetfluktuationer, hjælper nettet med at håndtere den intermitterende karakter af vedvarende energi, samt strømforsyning og kontrol på industrielle anlæg.

Kilde: American Superconductor Corporation

I vindmølle‑segmentet er AMSC primært aktiv med Electrical Control System (ECS). Historisk set var ESC et stærkt segment for virksomheden med 2 MW vindmøller, men det er gradvist faldet. AMSC sigter mod en genopretning takket være det nye 3 MW turbinedesign med særlig fokus på det indiske marked.

Kilde: American Superconductor Corporation

For militære skibe leverer ASMC “AMSC’s High Temperature Superconductor Magnetic Mine Countermeasure”, et system der ændrer skibenes magnetiske signatur for at beskytte dem mod søminer. Dette sælges til de amerikanske, canadiske og britiske flåder, med ordrer på i alt 75 M$ indtil videre.

Samlet set klarer ASMC sig bedst ved at udnytte superleder‑teknologi i niche‑applikationer, der er levedygtige i dag, mens de sandsynligvis er klar til at implementere yderligere fremskridt i fremtiden. Investorer bør også bemærke, at aktien har oplevet ekstrem volatilitet tidligere, og de bør beregne risiciene derefter.

Seneste om American Superconductor Corporation

Studier refereret:

^{1. K Trachenko, B Monserrat, M Hutcheon and Chris J Pickard.(2025) Øvre grænser for den højeste fononfrekvens og superledende temperatur ud fra fundamentale fysiske konstanter. Journal of Physics: Condensed Matter. 37165401. 13. marts 2025. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-648X/adbc39}