Διπλοστρωματικά Νικελιτάτες: Μια Νέα Κατηγορία Υψηλής Θερμοκρασίας Υπεραγωγών

Περιορισμοί Υπεραγωγικότητας

Electricity has been one of the most transformative technologies in history, allowing for the transmission of a very useful form of energy over long distances. But every “normal” electric system faces electric resistance, which results in the generation of heat when an electric current is applied.

Υπάρχει μια εναλλακτική: τα λεγόμενα υπεραγωγικά υλικά. Τα υπεραγωγικά υλικά έχουν μηδενική ηλεκτρική αντίσταση, επιτρέποντας τη χρήση εξαιρετικά ισχυρών ρευμάτων χωρίς παραγωγή θερμότητας.

Χωρίς υπεραγωγικότητα, πολλές σύγχρονες τεχνολογίες δεν θα ήταν δυνατές, όπως οι επιταχυντές σωματιδίων (π.χ., το CERN), η Μαγνητική Τομογραφία (MRI) και τα μαγνητικά τρένα (maglev trains).

Η υπεραγωγικότητα θα αποτελεί κρίσιμο στοιχείο των πιο υποσχόμενων μεγαπρογραμμάτων και τεχνολογικών καινοτομιών, όπως το ITER και η πυρηνική σύντηξη, οι μαζικοί επιταχυντές, οι κβαντικοί υπολογιστές, κ.λπ.

Οι γραμμές ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς απώλειες θα μπορούσαν επίσης να είναι κρίσιμες για την ανάπτυξη υπερβολικά μεγάλων συνδέσεων δικτύου, βοηθώντας στην εξισορρόπηση της παραγωγής ανανεώσιμων πηγών ενέργειας κατά τις καιρικές συνθήκες και τις ζώνες ώρας, επιλύοντας ορισμένους περιορισμούς της ηλιακής και αιολικής ενέργειας.

Πηγή: XOT Metals

Ωστόσο, η υπεραγωγικότητα έχει κατακτηθεί μέχρι στιγμής μόνο για υλικά που την εμφανίζουν σε υπερβολικά χαμηλές θερμοκρασίες, μόλις λίγα βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν. Ή σε εξαιρετικά υψηλή πίεση.

Αυτό το καθιστά όχι μόνο πολύπλοκο για όλες εκτός από τις πιο απαιτητικές εφαρμογές (maglev, MRI κ.λπ.), αλλά και πολύ ακριβό, καθιστώντας το μη οικονομικό για πολλές εφαρμογές που θα μπορούσαν να ωφεληθούν από υπεραγωγικό υλικό ή οποιαδήποτε μεγάλης κλίμακας χρήση.

Πολλές Διαδρομές προς την Υπεραγωγικότητα

Τώρα φαίνεται ότι το υλικό που παράγεται υπό υψηλή πίεση μπορεί να διατηρήσει μέρος της υπεραγωγικότητά του σε χαμηλότερη πίεση, μέσω μιας πειραματικής μεθόδου που ονομάζεται πρωτόκολλο πίεσης-κρύωσης (PQP).

Πρόσφατα, το στριφογυρισμένο διπλό στρώμα του WSe₂ (βασφύρου σεληνίου) φάνηκε να είναι ένας καλός υποψήφιος υλικός για υπεραγωγούς υψηλότερης θερμοκρασίας επίσης.

Έτσι, μετά από χρόνια αργής προόδου, φαίνεται ότι οι φυσικοί αρχίζουν να ξεκλειδώνουν εντελώς νέους τρόπους δημιουργίας υπεραγωγικών υλικών. Και ένας νέος προστέθηκε τώρα στη λίστα, με μια νέα οικογένεια υπεραγωγών που περιέχουν νικέλιο.

Κινέζοι ερευνητές από το Southern University of Science and Technology στο Σενζέν και το Πανεπιστήμιο Tsinghua ανακάλυψαν ότι οι διπλοστρωματικοί νικελιτάτες υπεραγωγοί διεξάγουν ηλεκτρισμό χωρίς αντίσταση, πολύ πάνω από το απόλυτο μηδέν και σε περιβάλλοντα πίεση.¹

Δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους στο καταξιωμένο επιστημονικό περιοδικό Nature, με τίτλο «Έναρξη υπεραγωγικότητας υπό περιβάλλοντα πίεση πάνω από 40 K σε (La,Pr) ^3Ni2O7».

Υπεραγωγοί Μη Πολύ Ψυχροί

Η υπεραγωγικότητα υψηλής θερμοκρασίας ίσως μια μέρα να γίνει επιλογή, ιδιαίτερα με την αινιγματική περίπτωση του LK-99 (μια μορφή χαλκού-αντικατεστημένου μολύβδου απατίτη – CSLA), ενός νέου τύπου υπεραγωγού υπό περιβάλλοντα πίεση και θερμοκρασία δωματίου.

Η αξίωση αμφισβητήθηκε αμέσως και κριτικήθηκε ως απάτη ή σφάλμα μέτρησης, αλλά στη συνέχεια άλλοι ερευνητές ανακάλυψαν ότι ίσως υπάρχει κάτι πραγματικά.

Αλλά αυτή δεν είναι η μόνη κατηγορία υπεραγωγών που θα μπορούσε να λειτουργήσει σε πιο ζεστές θερμοκρασίες.

Πρόσφατα ανακαλύφθηκε ότι δύο ομάδες κεραμικών (καπρίτες βασισμένοι σε χαλκό και πυριτικά βασισμένα σε σίδηρο) λειτουργούν ως ασυνήθιστοι υπεραγωγοί που λειτουργούν σε περιβάλλοντα πίεση και σε θερμοκρασίες έως και 150 K (–123 °C / -189 °F).

Πηγή: Materials Today

Τώρα, φαίνεται ότι οι νικελιτάτες εντάσσονται σε αυτά τα κεραμικά για να δημιουργήσουν ένα υλικό που λειτουργεί ως υπεραγωγός σε υψηλότερες θερμοκρασίες.

Αν και δεν είναι τόσο ζεστό, είναι πολύ πιο εύκολο να επιτευχθεί η θερμοκρασία σε σύγκριση με τους τρέχοντες υπεραγωγούς. Για παράδειγμα, τα υπεραγωγικά μαγνήτες του ITER θα πρέπει να ψυχθούν σχεδόν στο απόλυτο μηδέν με υγρό ήλιο, μια πολύ ενεργοβόρα και ακριβή διαδικασία.

Συνολικά, αυτό υποδεικνύει ότι οι υπεραγωγοί είναι πιθανό να γίνουν πολύ πιο συνηθισμένοι μεσοπρόθεσμα, καθώς ανακαλύπτονται και πειραματίζονται πολλές περισσότερες μορφές τους.

Υπεραγωγικοί Νικελιτάτες

Οι νικελιτάτες ανακαλύφθηκαν ότι έχουν πιθανές ιδιότητες υπεραγωγικότητας το 2019 από τον Danfeng Li, φυσικό στο City University of Hong Kong, και τον συνεργάτη του. Το 2023, μια άλλη ομάδα απέδειξε την υπεραγωγικότητα των νικελιτών σε υψηλότερες θερμοκρασίες, αλλά υπό υψηλή πίεση.

Πηγή: Nature

Αλλά ήταν τον Δεκέμβριο του 2024 που οι νικελιτάτες εντοπίστηκαν για πρώτη φορά ότι χάνουν την αντίσταση σε κριτική θερμοκρασία και απελευθερώνουν μαγνητικά πεδία, δύο ισχυρές ενδείξεις υπεραγωγικότητας.

Για την επίτευξη αυτού του αποτελέσματος, ταινίες μονοκρυστάλλων La2.85Pr0.15Ni2O7 (λανθανίδιο-πρασενίου-νικέλιο) καλλιεργήθηκαν χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται γιγαντιαία οξειδωτική ατομική-στρώμα-προς-στρώμα επακόλουθη εναπόθεση (GOALL-Epitaxy). Η τεχνική αυτή αναπτύχθηκε από την ίδια ομάδα ερευνητών και παρέχει αρκετές τάξεις μεγέθους ισχυρότερη οξείδωση και ακρίβεια στην παραγωγή στρωμάτων υλικού σε ατομικό επίπεδο.

Πηγή: Research Gate

Χρησιμοποιήθηκαν προχωρημένες αναλυτικές μέθοδοι για τη μελέτη του νικελίου-βάση σύνθετου, συμπεριλαμβανομένων εικόνων Σαρωτικής Μετάδοσης Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας (STEM) και χαρτών ανάστροφης X-ray χώρου (RSMs).

Αποκάλυψαν την εμφάνιση μιας τετραγωνικής φάσης στο στρώμα οξειδίου νικελίου, η οποία μπορεί να είναι υπεύθυνη για την ελεύθερη ροή των ηλεκτρονίων υπό τις κατάλληλες συνθήκες.

Βελτίωση Υπεραγωγικών Υλικών

Η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε ως προκαταρκτική δοκιμή για τη βελτίωση των ιδιοτήτων των νικελιτών μπορεί να βελτιωθεί περαιτέρω. Αυτό θα πρέπει να οδηγήσει σε πολλαπλές δοκιμές για την περαιτέρω αύξηση της θερμοκρασίας αυτών των υπεραγωγών.

“Υπάρχει τεράστια ελπίδα ότι θα μπορούσαμε τελικά να αυξήσουμε τη κριτική θερμοκρασία και να κάνουμε τέτοια υλικά πιο χρήσιμα για εφαρμογές.”
Danfeng Li – Φυσικός στο City University of Hong Kong.

Η ανάλυση υποδεικνύει ότι η διαδικασία που δίνει στους νικελιτάτες υπεραγωγικότητα είναι παρόμοια με αυτή που επηρεάζει τους καπρίτες (κατασκευασμένους από χαλκό).

”Η αύξηση αυτού είναι προτεραιότητα. Η ομάδα δοκιμάζει διάφορα κόλπα για να τροποποιήσει τον τρόπο ανάπτυξης του υλικού και τη ακριβή του σύνθεση.”
Zhuoyu Chen – Φυσικός στο SUSTech

Πειράματα Πριν τη Θεωρία

Πρέπει να σημειωθεί ότι τα πρόσφατα αποτελέσματα σχετικά με υπεραγωγούς υψηλότερης θερμοκρασίας, ή ακόμη και πιθανούς υπεραγωγούς θερμοκρασίας δωματίου, προχωρούν μπροστά από τη θεωρητική φυσική στον τομέα.

Έτσι, το γιατί λειτουργούν παραμένει ακόμη ένα μυστήριο. Δεν υπάρχει ακόμη πλήρης εξήγηση για το γιατί αυτά τα υλικά είναι υπεραγωγοί, και ακόμη λιγότερη μια προβλεπτική μέθοδος για την πρόβλεψη ποιο υλικό μπορεί να εμφανίζει αυτά τα χαρακτηριστικά.

Μέχρι τώρα, η ανάγκη για υψηλή πίεση ή υπερβολικά ψυχρές συνθήκες είχε σοβαρά εμποδίσει τη μελέτη αυτών των υλικών, καθώς ήταν δύσκολο να δοκιμαστεί οτιδήποτε όταν η υπεραγωγικότητα συμβαίνει μόνο σε διαμαντένιο άγκυρο ή υγρό ήλιο.

Η ευκολότερη διατήρηση των συνθηκών θα πρέπει να δώσει πολύ μεγαλύτερη ελευθερία στους επιστήμονες να μελετήσουν αυτά τα υλικά και να τα τροποποιήσουν.

Έτσι, αυτό αφήνει πολύ χώρο για βελτίωση, και μια καλύτερη κατανόηση αυτών των υλικών, συμπεριλαμβανομένης της βοήθειας της τεχνητής νοημοσύνης, θα πρέπει να προχωρήσει παραπέρα.

Θα πρέπει επίσης να προσελκύσει περισσότερους ερευνητές στον τομέα και περισσότερες εταιρείες να επενδύσουν προϋπολογισμούς Έρευνας & Ανάπτυξης σε αυτά τα έργα, επιταχύνοντας τον ρυθμό της προόδου.

Μελλοντικές Εφαρμογές

Οι υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας θα ήταν ένα άμεσο υλικό θαυματουργίας εάν κατανοούνταν επαρκώς για μαζική παραγωγή.

Το πρώτο άμεσο αποτέλεσμα θα ήταν η μείωση του κόστους του εξοπλισμού που ήδη αξιοποιεί την υπεραγωγικότητα, όπως η Μαγνητική Τομογραφία (MRI), τα μαγνητικά τρένα, οι προηγμένοι τουρμπίνοι και γεννήτριες, οι επιταχυντές σωματιδίων, οι πειραματικοί αντιδραστήρες σύντηξης κ.λπ.

Θα έκανε επίσης δυνατή την τεχνολογία που μέχρι τώρα δεν μπορούσε ποτέ να υλοποιηθεί ή ήταν απαγορευτικά ακριβή λόγω των τεχνικών περιορισμών των υπεραγωγών χαμηλής θερμοκρασίας.

Αυτό περιλαμβάνει τα τρένα υπερ-βρόχου, τους μαζικούς επιταχυντές για την επίτευξη τροχιάς, την εμπορική πυρηνική σύντηξη, τις διαηπειρωτικές συνδέσεις δικτύου κ.λπ. Κάθε μία από αυτές είναι μια τεχνολογία που θα αλλάξει για πάντα την πορεία του ανθρώπινου πολιτισμού.

Ηγέτες στις Λύσεις Υπεραγωγικότητας

Η AMSC είναι μια εταιρεία που παρέχει ενεργειακές λύσεις για το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας, τα πλοία και την αιολική ενέργεια. Γενικά, όσο πιο ενεργοβόρο ή μεγαλύτερο είναι ένα σύστημα, τόσο περισσότερο απαιτεί τεχνολογία υπεραγωγών για την αποφυγή υπερθέρμανσης.

Παρά το όνομά της, η ASMC παρέχει όχι μόνο συστήματα υπεραγωγών αλλά και, για παράδειγμα, μηχανές μετάδοσης κίνησης για αιολικούς τουρμπίνες.

Η εταιρεία εκμεταλλεύεται πολλαπλούς παράγοντες ανάπτυξης, από την τάση της ηλεκτροποίησης και της ψηφιοποίησης (συμπεριλαμβανομένων των κέντρων δεδομένων AI), αλλά και την επαναφορά των αμερικανικών δυνατοτήτων παραγωγής και την ανάγκη των ναυτικών δυνάμεων του αγγλόφωνου κόσμου να εκσυγχρονιστούν ως απάντηση στην αυξανόμενη γεωπολιτική αβεβαιότητα.

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

Στον τομέα της παροχής ενέργειας, η AMSC έχει παρατηρήσει σταθερή αύξηση των παραγγελιών. Αυτό οδήγησε από τις εγκαταστάσεις ημιαγωγών που επιδιώκουν προστασία από τις διακυμάνσεις του δικτύου, βοηθώντας το δίκτυο να αντιμετωπίζει τη διαλείπουσα φύση των ανανεώσιμων πηγών, καθώς και την παροχή ενέργειας & ελέγχους σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις.

Πηγή: American Superconductor Corporation

Στον τομέα των αιολικών τουρμπίνων, η AMSC είναι κυρίως ενεργή με το Ηλεκτρικό Σύστημα Ελέγχου (ECS). Ιστορικά, το ESC ήταν ισχυρός τομέας για την εταιρεία με τις 2 MW αιολικές τουρμπίνες, αλλά έχει σταδιακά μειωθεί. Η AMSC στοχεύει σε ανάκαμψη χάρη στο νέο σχεδιασμό τουρμπίνας 3 MW, με ειδική εστίαση στην ινδική αγορά.

Πηγή: American Superconductor Corporation

Για στρατιωτικά πλοία, η ASMC παρέχει το «Σύστημα Αντιμετάλλου Υψηλής Θερμοκρασίας Υπεραγωγικού Μαγνητικού», ένα σύστημα για την αλλαγή της μαγνητικής υπογραφής των πλοίων ώστε να τα προστατεύει από θαλάσσια νάρκες. Αυτό πωλείται σε ναυτικές δυνάμεις των ΗΠΑ, Καναδά και Ηνωμένου Βασιλείου, με παραγγελίες αξίας 75 εκατομμυρίων δολαρίων μέχρι στιγμής.

Συνολικά, η ASMC αποδίδει καλύτερα στην αξιοποίηση της τεχνολογίας υπεραγωγών σε εξειδικευμένες εφαρμογές που είναι εφικτές σήμερα, ενώ πιθανότατα είναι έτοιμη να εφαρμόσει περαιτέρω προόδους στο μέλλον. Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί από τους επενδυτές ότι το απόθεμα έχει υποστεί εξαιρετική μεταβλητότητα στο παρελθόν, και να υπολογίσουν τους κινδύνους αναλόγως.

Τελευταία Ειδήσεις για την American Superconductor Corporation

Αναφορά Μελέτης:

^{1.Zhou, G., Lv, W., Wang, H. et al.(2025) Έναρξη υπεραγωγικότητας υπό περιβάλλοντα πίεση πάνω από 40 K σε (La,Pr)3Ni2O7 Nature. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08755-z}