Superledning i vredet dobbeltlag WSe₂: En ny rival til grafen?

Et nyt superledende materiale

Superledning er et fænomen, som, hvis det mestrer i stor skala og til lave omkostninger, ville revolutionere den menneskelige civilisation. Dette skyldes, at for de fleste højteknologiske anvendelser kan de nødvendige niveauer af strøm eller magnetfelt kun håndteres af superledende materialer, hvor enhver elektrisk modstand fører til overdreven overophedning.

Et langsigtet problem har været, at næsten alle kendte superledende materialer kun er tilgængelige ved ekstremt lave temperaturer, ofte i nærheden af 4 K (kun 4 grader over det absolutte nulpunkt).

Dette gør superledning kun levedygtig, når den kombineres med flydende helium, et kølevæske, som er meget svært at producere gennem en meget energiintensiv proces.

I lang tid har grafen, et 2D monolag af kulstof, været betragtet som en god kandidat til mere praktisk superledning.

Det ser dog ud til, at det, der gør grafen lovende, kan udvides til andre materialer som tungsten, hvilket åbner søgningen efter et nyt superledende materiale. Denne opdagelse er resultatet af arbejdet fra forskere ved Columbia University, University of Tennessee og National Institute for Materials Science (Japan). De offentliggjorde deres resultater i det prestigefyldte Nature¹ under titlen “Superconductivity in 5.0° twisted bilayer WSe2”.

Løfterne ved superledning

Billigere og højere temperatur superledende materialer ville fuldstændig ændre de mulige anvendelser af teknologien. Dette ville muliggøre kølemetoder som flydende nitrogen, eller endda blot køleteknologien, der bruges i frysebokse til opbevaring af mRNA-vacciner, til at erstatte den mere energiintensive alternativ.

• Bedre MR, med højere opløsning og billigere at bygge og drive, gør det muligt at blive en langt mere rutinemæssig medicinsk undersøgelse.
• Elektromagnetiske fremdriftssystemer (også kaldet magnetohydrodynamiske (MHD) fremdrift) driver skibe ved at elektrificere havvand.
• Mere kraftfulde og effektive elektriske motorer.
• Højere energitæthed og sikrere batterier med Superledende magnetisk energilagring (SMES).
• Superledende begrænsere, kontakter og sikringer for at forbedre elnetinfrastrukturen.
• Langdistance strømoverførsel uden tab, hvilket kunne øge effektiviteten af vedvarende energi, for eksempel ved at solpaneler, der stadig er i solen, leverer strøm til en by tusinder af kilometer væk.
• Billigere og lettere at vedligeholde maglev-tog eller senere Hyperloop-systemer.
• Sensorer/magnetometre (Superledende kvanteinterferens-enheder – SQUIDS) til anvendelse i industrielle miljøer.
• Superledende kvantecomputing
  • (du kan læse mere om fremskridt inden for kvantecomputing i vores artikel “The Current State of Quantum Computing”).
• Forsvars- og rumfartsanvendelser, herunder strålingsskærme, elektromagnetiske opsendelser, magnetiske lejer, sensorer, railguns, coil guns, lasere og andre energivåben.

Der er en mulighed for at højtemperatur-superledning kan opnås med kobber-substitueret blyapatit (CSLA), men dette påstand er stadig hedt debatteret af forskere specialiseret inden for dette område, et par år senere.

Grafen-superledning

Mens grafen er en bemærkelsesværdig effektiv elektrisk leder, når den er i et enkelt lag, kan den blive en superleder, når den formes som en “vredet dobbeltlag”. Dette er, når de to lag er let forskudt med en forskel på 1,1°, som tilsyneladende er den magiske vinkel for grafen.

I november 2024 blev det matematisk demonstreret, at et sådant dobbeltlag kunne forblive superledende ved temperaturer så høje som 60°K (-213 °C / -351 °F).

Siden 2020 har et andet materiale mistænkes for at udvise en lignende egenskab: tungsten-selenid (WSe₂).

Kilde: Max Planck Institute

Tungsten-selenid superledning

Indtil nu er fænomener korreleret med superledning blevet opdaget i mange materialer, der er en del af den såkaldte overgangsmetal-dichalcogenid (TMD) klasse.

Den nye forskning bekræfter dog definitivt superledning i 5,0° (vinkel af forskel mellem lag, ikke temperatur) vredet dobbeltlag WSe2.

Dette var især stærkt ved lave temperaturer i dette eksperiment (426 millikelvin), men det demonstrerer alligevel, at dobbeltlags-superledning kan udføres af andre lagdelte materialer end grafen.

Det vredede dobbeltlag WSe2 viste også en skarp grænse mellem de superledende og magnetiske faser ved lave temperaturer, hvilket kan forklare de underliggende mekanismer, der gør det superledende.

Bedre end grafen?

Hvis TMD-materialer kan være superledende, kan de faktisk være overlegne i forhold til grafen.

Årsagen er, at TMD-materialer også udviser mange andre ønskelige egenskaber, som grafen mangler, såsom et naturligt båndgab, stor spin-orbit kobling, spin-dal låsning og magnetisme.

I den henseende ligner dette en anden type avancerede metamaterialer, kagome-materialer, som også udviser superledning sammen med magnetisme, mens disse normalt er to fænomener, der ikke forekommer samtidigt.

Samlet set ser det ud til, at feltet for superledning gør meget hurtige fremskridt og kaster de tidligere antagelser i disciplinen om, hvad der er og hvad der ikke er muligt.

Tungsten-virksomhed

Hvis tungsten-dobbeltlag viser sig at være superledende, ville dette være et vigtigt yderligere anvendelsesområde for det ultrahårde metal, som allerede anvendes i mange militære anvendelser, halvlederindustrien og avanceret fremstilling.

Vi dækkede investeringssagen for tungsten i detaljer i oktober 2024-rapporten “Tungsten – The Secret High-Tech Metal”.

Siden da har Kina annonceret restriktioner på eksport af tungsten, et metal hvor 80 % produceres af Kina. Dette efterlader meget få virksomheder i stand til at levere til vestlige industrier, uafhængigt af den kinesiske forsyningskæde.

Almonty Industries

Almonty er en tungsten-miner, der i øjeblikket primært producerer fra en mine i Portugal, som har været i drift de sidste 125 år.

Virksomheden har arbejdet på at udvide den portugisiske mine og ejer uudviklede aflejringer i Spanien.

Kilde: Almonty

Virksomhedens vigtigste projekt er den igangværende udvikling af en ny mine i Sangdong, Sydkorea. Minen indeholder flere afledte ressourcer end alle dens andre aflejringer samlet.

Kilde: Almonty

Som en af de eneste aktive og producerende tungsten-minere i vestlige lande er Almonty en vigtig strategisk leverandør til forsvarsindustrien. Så det er en vigtig virksomhed for at reducere afhængigheden af kinesisk forsyning.

Sangdong-mineens placering gør den til en perfekt leverandør til forsvarsindustrien, da Sydkorea er en ny gigant i masseproduktion af “lavteknologisk” militært udstyr som tanke, artilleri og ammunition (sammenlignet med mindre tungsten-krævende jagerfly, hangarskibe osv.).

Mens Kina forbereder at åbne en enorm tungsten-mine i Kasakhstan, er Almonty klar til at “væsentligt ændre den politiske håndtering af sikring af tungsten”, når Almonty Korea Tungsten Projects Sangdong-mine kommer i drift inden for få måneder. Når den begynder produktion, vil den være en af verdens største tungsten-miner og udgøre 30 % af den ikke-kinesiske forsyning.

Lewis Black, director, president, and CEO of Almonty Industries

Almonty bør begynde at producere tungsten fra den koreanske mine i begyndelsen til midten af 2025.

På grund af sin strategiske position som i praksis den eneste store leverandør i Vesten, blev Almonty tilbudt en garanteret pris af Plansee. Plansee er en højtydende metalproducent og en af Almontys større kunder, samt ejer af 15 % af virksomheden.

Den minimale garanterede pris var $235/MTU (metrisk ton enhed), uden øvre grænse. Da Sangdong-minen sigter mod cashomkostninger på $110/mtu, bør dette i praksis sikre en høj profitmargin for projektet.

Med en heldig næsten perfekt timing mellem den kommende åbning af Sangdong og en ny handelskrig mellem Trumps Amerika og Kina, har aktiekursen reageret kraftigt og steget med 40 % på blot 2 dage efter kunngørelsen af tungsten-eksportrestriktion fra Kina.

Studierreference:

^{1. Guo, Y., Pack, J., Swann, J. et al. (2025) Superconductivity in 5.0° twisted bilayer WSe2. Nature 637, 839–845. https&#58//doi.org/10.1038/s41586-024-08381-1}