Supraleitung im verdrehten Bilayer WSe₂: Ein neuer Konkurrent für Graphen?

Ein neues supraleitendes Material

Supraleitung ist ein Phänomen, das, wenn es in großem Maßstab und zu niedrigen Kosten beherrscht wird, die menschliche Zivilisation revolutionieren würde. Das liegt daran, dass für die meisten High‑Tech‑Anwendungen die erforderlichen Leistungs‑ oder Magnetfeldstärken nur von supraleitenden Materialien bewältigt werden können, wobei jeder elektrische Widerstand zu übermäßiger Überhitzung führt.

Ein langfristiges Problem war, dass fast alle bekannten supraleitenden Materialien nur bei extrem niedrigen Temperaturen verfügbar sind, häufig in der Nähe von 4 °K (nur 4 Grad über dem absoluten Nullpunkt).

Dies macht Supraleitung nur dann praktikabel, wenn sie mit flüssigem Helium kombiniert wird, einem Kühlmittel, das durch einen sehr energieintensiven Prozess nur schwer herzustellen ist.

Lange Zeit wurde Graphen, eine 2‑D‑Monoschicht aus Kohlenstoff, als vielversprechender Kandidat für praktischere Supraleitung angesehen.

Es scheint jedoch, dass das, was Graphen vielversprechend macht, auf andere Materialien wie Wolfram übertragen werden kann, was die Suche nach einem neuen supraleitenden Material eröffnet. Diese Entdeckung ist das Ergebnis der Arbeit von Forschern der Columbia University, der University of Tennessee und des National Institute for Materials Science (Japan). Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in der renommierten Nature¹ unter dem Titel „Superconductivity in 5.0° twisted bilayer WSe2“.

Die Versprechen der Supraleitung

Günstigere und höhertemperatur‑supraleitende Materialien würden die möglichen Anwendungen der Technologie vollständig verändern. Dies würde Kühlmethoden wie flüssigen Stickstoff oder sogar die in Gefriergeräten für mRNA‑Impfstoffe verwendete Kühltechnologie ermöglichen, um die energieintensivere Alternative zu ersetzen.

• Bessere MRT, mit höherer Auflösung und geringeren Bau‑ und Betriebskosten, ermöglicht, dass sie zu einer viel häufigeren medizinischen Untersuchung wird.
• Elektromagnetische Schubantriebssysteme (auch genannt magnetohydrodynamische (MHD)-Antriebe) treiben Schiffe durch Elektrifizierung des Meerwassers an.
• Leistungsstärkere und effizientere Elektromotoren.
• Höhere Energiedichte und sicherere Batterien mit Supraleitender Magnetischer Energiespeicher (SMES).
• Supraleitende Begrenzungsgeräte, Schalter und Sicherungen zur Verbesserung der Stromnetz‑Infrastruktur.
• Langstrecken-Stromübertragung ohne Verluste, die die Effizienz erneuerbarer Energien steigern könnte, zum Beispiel indem Solarpanels, die noch in der Sonne stehen, eine Stadt tausende Kilometer entfernt versorgen.
• Günstigere und wartungsfreundlichere Magnetschwebebahnen oder später Hyperloop‑Systeme.
• Sensoren/Magnetometer (Supraleitende Quanteninterferenzgeräte – SQUIDs) für den Einsatz in industriellen Umgebungen.
• Supraleitendes Quantencomputing
  • (Sie können mehr über den Fortschritt des Quantencomputings in unserem Artikel „The Current State of Quantum Computing“ lesen.)
• Verteidigungs‑ und Luft‑ und Raumfahrtanwendungen, einschließlich Strahlenschutz, elektromagnetischer Starts, magnetischer Lager, Sensoren, Railguns, Spulenkanonen, Laser und anderer Energiewaffen.

Es besteht die Möglichkeit, dass Hochtemperatur‑Supraleitung mit kupfer‑substituiertem Bleiaapatit (CSLA) erreicht werden kann, aber diese Behauptung wird von Fachwissenschaftlern nach wie vor heftig diskutiert, einige Jahre später.

Supraleitung in Graphen

Während Graphen in einer einfachen Schicht ein bemerkenswert effizienter Stromleiter ist, kann es ein Supraleiter werden, wenn es als „verdrehter Bilayer“ geformt wird. Dabei sind die beiden Schichten leicht versetzt, mit einem Unterschied von 1,1°, was offenbar der magische Winkel für Graphen ist.

Im November 2024 wurde mathematisch nachgewiesen, dass ein solcher Bilayer bei Temperaturen von bis zu 60°K (-213 °C / -351 °F) supraleitend bleiben kann.

Seit 2020 wird ein weiteres Material verdächtigt, eine ähnliche Eigenschaft zu zeigen: Wolfram‑Selen (WSe₂).

Quelle: Max Planck Institute

Supraleitung in Wolfram‑Selen

Bisher wurden Phänomene, die mit Supraleitung korrelieren, in vielen Materialien der sogenannten Übergangsmetall‑Dichalcogenide (TMDs)‑Klasse nachgewiesen.

Die neue Forschung bestätigt jedoch eindeutig die Supraleitung in einem um 5,0° verdrehten Bilayer WSe2 (Winkel der Schichtversetzung, nicht Temperatur).

Dies war in diesem Experiment bei niedrigen Temperaturen (426 Millikelvin) besonders stark ausgeprägt, zeigt jedoch, dass Bilayer‑Supraleitung auch von anderen Schichtmaterialien als Graphen realisiert werden kann.

Der verdrehte Bilayer WSe2 zeigte bei niedrigen Temperaturen zudem eine klare Grenze zwischen den supraleitenden und magnetischen Phasen, was die zugrunde liegenden Mechanismen erklären könnte, warum er supraleitend ist.

Besser als Graphen?

Wenn TMD‑Materialien supraleitend sein können, könnten sie tatsächlich Graphen überlegen sein.

Der Grund ist, dass TMD‑Materialien zudem viele andere wünschenswerte Eigenschaften besitzen, die Graphen fehlt, wie eine natürliche Bandlücke, starke Spin‑Orbit‑Kopplung, Spin‑Tal‑Verriegelung und Magnetismus.

In dieser Hinsicht ähnelt es einem anderen Typ fortschrittlicher Metamaterialien, Kagome‑Materialien, die ebenfalls Supraleitung zusammen mit Magnetismus zeigen, während diese beiden Phänomene normalerweise nicht gleichzeitig auftreten.

Insgesamt scheint das Feld der Supraleitung sehr schnell Fortschritte zu machen und die früheren Annahmen der Disziplin darüber, was möglich ist und was nicht, zu widerlegen.

Wolfram‑Unternehmen

Wenn sich Wolfram‑Bilayer als supraleitend erweisen, wäre dies ein wichtiger zusätzlicher Anwendungsfall für das ultraharte Metall, das bereits in vielen militärischen Anwendungen, der Halbleiterindustrie und der fortschrittlichen Fertigung eingesetzt wird.

Wir haben den Investitionsfall für Wolfram ausführlich im Oktober‑2024‑Bericht „Tungsten – The Secret High-Tech Metal“ behandelt.

Seitdem hat China Beschränkungen für den Export von Wolfram angekündigt, einem Metall, von dem 80 % in China produziert werden. Das lässt nur sehr wenige Unternehmen, die westliche Industrien unabhängig von der chinesischen Lieferkette versorgen können.

Almonty Industries

Almonty ist ein Wolfram‑Bergbauunternehmen, das derzeit hauptsächlich aus einer Mine in Portugal fördert, die seit 125 Jahren in Betrieb ist.

Das Unternehmen arbeitet an der Erweiterung der portugiesischen Mine und besitzt unerschlossene Lagerstätten in Spanien.

Quelle: Almonty

Das wichtigste Projekt des Unternehmens ist die laufende Entwicklung einer neuen Mine in Sangdong, Südkorea. Die Mine enthält mehr geschätzte Ressourcen als alle anderen Lagerstätten zusammen.

Quelle: Almonty

Als einer der wenigen aktiven und produzierenden Wolfram‑Bergbauunternehmen in westlichen Ländern ist Almonty ein strategischer Schlüsselzulieferer für die Verteidigungsindustrie. Daher ist es ein wichtiges Unternehmen, um die Abhängigkeit von chinesischen Lieferungen zu reduzieren.

Die Lage der Sangdong‑Mine macht sie zu einem perfekten Zulieferer für die Verteidigungsindustrie, wobei Südkorea ein neuer Riese in der Massenproduktion von „Low‑Tech“-Militärausrüstung wie Panzern, Artillerie und Munition ist (im Vergleich zu Flugzeugen, Flugzeugträgern usw., die weniger Wolfram benötigen).

Während China sich darauf vorbereitet, eine riesige Wolfram‑Mine in Kasachstan zu eröffnen, ist Almonty bereit, „die Politik im Zusammenhang mit der Sicherung von Wolfram wesentlich zu verändern“, wenn die Sangdong‑Mine des Almonty Korea Tungsten Project in wenigen Monaten in Betrieb geht. Sobald sie mit der Produktion beginnt, wird sie zu einer der größten Wolfram‑Minen der Welt gehören und 30 % des nicht‑chinesischen Angebots ausmachen.

Lewis Black, Direktor, Präsident und CEO von Almonty Industries

Almonty sollte ab Anfang bis Mitte 2025 mit der Wolframproduktion aus der koreanischen Mine beginnen.

Aufgrund seiner strategischen Position als praktisch einziger großer Lieferant im Westen wurde Almonty von Plansee ein garantierter Preis angeboten. Plansee ist ein Hersteller von Hochleistungsmetallen und einer der größeren Kunden von Almonty sowie Eigentümer von 15 % des Unternehmens.

Der garantierte Mindestpreis lag bei 235 $/MTU (metrische Tonne Einheit), ohne Obergrenze. Da die Sangdong‑Mine Cash‑Kosten von 110 $/MTU anstrebt, sollte dies praktisch eine hohe Gewinnspanne für das Projekt sichern.

Durch das fast perfekte Timing zwischen der bevorstehenden Eröffnung von Sangdong und einem neuen Handelskrieg zwischen Trumps Amerika und China reagierte der Aktienkurs stark und stieg innerhalb von nur 2 Tagen um 40 % nach der Ankündigung der Exportbeschränkung für Wolfram aus China.

Studienreferenz:

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