NUS opdager kobberfri materiale med højtemperatur-superledning

Potentialet for superledning

Elektricitet er en af de vigtigste teknologier, som menneskeheden nogensinde har opfundet. I sin almindelige form har den altid en vis elektrisk modstand, som genererer varme, når en elektrisk strøm cirkulerer. Dette kan medføre alvorlige begrænsninger for nogle anvendelser, der kræver for kraftig strøm eller magnetfelter, da det ville få ethvert elektrisk system til at smelte ned.

Et alternativ er superledning, et fænomen hvor den elektriske modstand falder til nul. Men i meget lang tid kunne det kun observeres ved ultra-lave temperaturer, tæt på det absolutte nulpunkt (0 K), eller omkring -273°C/-387°K.

Dette ændrede sig med en opdagelse, der modtog Nobelprisen i fysik i 1987: højtemperatur-superledere lavet af kobberoxider.

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

Superledning vil ligeledes være en afgørende komponent i de mest lovende megaprojekter og teknologiske innovationer, såsom ITER og kernefusion, massedriver, kvantecomputere, osv.

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

Kilde: XOT Metals

Højtemperatur superledning

Indtil videre gør lavtemperaturkravet, at superledning kun er økonomisk levedygtig for high-end anvendelser: maglev, MR-scannere osv.

Og selvom det er videnskabeligt interessant, er superledning under højt tryk relativt ubrugelig i forhold til praktiske anvendelser.

Der har for nylig været en hel del fremskridt inden for superledning, som kan ændre situationen:

• 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 pressure‑quench‑protocol (PQP).
• Vridte lag af WSe₂ (tungsten selenid) syntes også at være en god materialekandidat til højere temperatur superledere.
• En anden ny klasse af potentielle superledere, bilagte nikkelater, kan også være blevet tilføjet til listen i år.
• Derefter dukkede den gådefulde sag om LK-99 (en form af kobber-erstatnings blyapatit – 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 andre forskere opdagede derefter, at der måske faktisk foregik noget.

På trods af disse nye opdagelser er superledning i høj grad et dårligt forstået fænomen, med mange gæt i mørket for at finde nye materialer med den egenskab. Derfor er en bedre teoretisk ramme nødvendig.

Et stykke af puslespillet blev fundet i marts 2025, med en bedre forståelse af hvad de mulige højere temperaturer for superledning (Tc) er.

En anden er skabelsen af en ny teoretisk model af forskere ved National University of Singapore, som allerede har ført til opdagelsen af et kobberfrit superledende materiale. Denne præstation blev for nylig annonceret i den prestigefyldte videnskabelige publikation Nature¹, under titlen “Masse-superledning nær 40 K i hul-dopet SmNiO2 ved atmosfærisk tryk”.

Ny superledningmodel

Forklaring af superledning

Forskerne arbejdede på at udvikle en ny teoretisk model, der forklarer, hvordan superledning fungerer. Dette er et komplekst emne, som kan opsummeres mere enkelt med nogle få nøglebegreber:

Cooper-par, eller to elektroner bundet sammen gennem en kvanteeffekt, er et nøgleelement i at gøre et materiale superledende.

Det er kondensationen af Cooper-par, der skaber superledning, mindst ifølge forskerne, der først forklarede superledning (Bardeen–Cooper–Schrieffer-teorien, eller BCS-teorien), og som vandt Nobelprisen i fysik i 1972 for denne idé.

Det er fononer, eller vibrationerne på kvanteniveau i materialets gitter, der driver parringen af elektroner i Cooper-par. Når nok Cooper-par dannes, tillader dette bevægelse af elektroner gennem materialet uden kollision, hvilket eliminerer elektrisk modstand.

Kilde: Fiveable

Forudsigelse og produktion af nye superledere

Den nye model, der forudsiger dannelse af Cooper-par, hjælper forskerne med at forudsige mange potentielle superledere, herunder mange der ikke indeholder nogen kobberatomer.

De syntetiserede derefter succesfuldt et af de forudsagte materialer: samarium-europium-calcium-nikkeloxid (Sm‑Eu‑Ca)NiO₂.

Som vi forudsagde og designede, demonstrerer dette kobberfri superledende oxid højtemperatur-superledning under atmosfærisk tryk ved havniveau, uden behov for yderligere kompression – ligesom kobberoxider.

Denne opdagelse antyder, at ukonventionel højtemperatur-superledning ikke er eksklusiv for kobber, men kan være en mere udbredt egenskab blandt grundstofferne i det periodiske system.

Dr. Stephen Lin Er Chow – Forsker ved National University of Singapore

De bekræftede også nul elektrisk modstand (superledning) langt over 30 K i denne forbindelse. Dette er ikke kun et nyt materiale at eksperimentere med, men også et bevis på, at den anvendte model har forudsigelsesværdi, hvilket sandsynligvis betyder, at det andet forudsagte superledende materiale også kan fungere. Dette er den første opdagelse af en sådan højtemperatur-superleder siden 1990’erne.

Kilde: National University of Singapore

Zhaoyang Luo, en PhD-studerende ved National University of Singapore, demonstrerede den høje krystallinitet og ren-fase natur af det syntetiserede materiale ved hjælp af elektronstrålemikroskopi. Dette gør det nye materiale meget stabilt, hvilket gør det til en god kandidat til potentielle fremtidige industrielle anvendelser.

“Dette er første gang siden den Nobelpræmierede opdagelse, at et kobberfrit højtemperatur-superledende oxid er blevet fundet funktionelt under atmosfærisk tryk.

Derudover er dette nye materiale meget stabilt under normale forhold, hvilket betydeligt forbedrer dets tilgængelighed.

Prof. Ariando – Professor ved National University of Singapore

Produktionsmetoden for det nye materiale er også ret robust, uden at der opstår strukturelle fejl under processen, hvilket yderligere øger potentialet for praktiske anvendelser.

Anvendelser og fremtidig udvikling

Nu hvor de har en mere solid teoretisk ramme, kan forskerne forsøge at finjustere nogle specifikke parametre for de superledende materialer. Især nævner de atom- og molekylære egenskaber som elektronisk besættelsesændring og hydrostatisk tryk.

Dette kunne åbne vejen til enten helt nye typer af superledere eller måske endda en ny familie af superledere med endnu højere driftstemperaturer.

Enhver højere temperatur superleder, der kan produceres i stor skala, kunne have to hovedpåvirkninger:

• Dramatisk reducere omkostningerne ved teknologier, der i øjeblikket bruger superledere, og demokratisere deres brug, især maglev-tog og MR-scannere.
• Åbne nye anvendelsesområder, især hvis Tc-temperaturen når højt nok til at matche flydende nitrogen (-196°C / -320°F), et meget billigere og lettere at producere kølemiddel end dem, der i øjeblikket anvendes til superledende materialer.
  • Disse nye anvendelser kunne omfatte energioverførsel, energilagring, lasere, skibe, rumfremdrift og adgang til kredsløb (massedriver) osv.

Denne observation har dybtgående implikationer for både teoretisk forståelse og eksperimentel realisering af et bredere spektrum af superledende materialer med praktiske anvendelser i moderne elektronik,

Prof. Ariando – Professor ved National University of Singapore

Ledere inden for superledningsløsninger

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

På trods af sit navn leverer AMSC ikke kun superleder-systemer, men også for eksempel geardrivlinjer 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 for at modernisere som svar på stigende geopolitiske risici.

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

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

I vindmøllesegmentet 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

Til 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 $75 M indtil videre.

Samlet set klarer ASMC sig bedst ved at udnytte superledningsteknologi i nicheanvendelser, 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 i overensstemmelse hermed.

Seneste om American Superconductor Corporation

Studier refereret:

^{1. Chow, S.L.E., Luo, Z. & Ariando, (2025) A. Masse-superledning nær 40 K i hul-dopet SmNiO2ved atmosfærisk tryk. Nature. 20 marts 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08893-4}