Υπεραγωγιμότητα σε συνεστραμμένη διπλή στρώση WSe₂: Ένας νέος ανταγωνιστής του γραφενίου;

Ένα Νέο Υπεραγώγιμο Υλικό

Η υπεραγωγιμότητα είναι ένα φαινόμενο που, εάν κατακτηθεί σε μεγάλη κλίμακα και χαμηλό κόστος, θα φέρει επανάσταση στον ανθρώπινο πολιτισμό. Αυτό συμβαίνει επειδή, για τις περισσότερες υψηλής τεχνολογίας εφαρμογές, τα επίπεδα ισχύος ή μαγνητικού πεδίου που απαιτούνται μπορούν να αντιμετωπιστούν μόνο από υπεραγώγιμα υλικά, ενώ οποιαδήποτε ηλεκτρική αντίσταση οδηγεί σε υπερβολική υπερθέρμανση.

Ένα μακροπρόθεσμο πρόβλημα ήταν ότι σχεδόν όλα τα γνωστά υπεραγώγιμα υλικά είναι διαθέσιμα μόνο σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, συχνά κοντά στα 4 K (μόνο 4 βαθμοί πάνω από το απόλυτο μηδέν).

Αυτό καθιστά την υπεραγωγιμότητα εφικτή μόνο όταν συνδυάζεται με υγρό ήλιο, ένα ψυκτικό υγρό που είναι πολύ δύσκολο να παραχθεί μέσω μιας εξαιρετικά ενεργοβόρας διαδικασίας.

Για μεγάλο χρονικό διάστημα, το γραφένιο, ένα δισδιάστατο μονοστρώμα άνθρακα, θεωρήθηκε ως καλός υποψήφιος για πιο πρακτική υπεραγωγιμότητα.

Ωστόσο, φαίνεται ότι αυτό που καθιστά το γραφένιο υποσχόμενο μπορεί να επεκταθεί σε άλλα υλικά όπως το βολφράμιο, ανοίγοντας την αναζήτηση για ένα νέο υπεραγώγιμο υλικό. Αυτή η ανακάλυψη είναι αποτέλεσμα της εργασίας ερευνητών του Πανεπιστημίου Columbia, του Πανεπιστημίου του Τενεσί και του Εθνικού Ινστιτούτου Επιστήμης Υλικών (Ιαπωνία). Δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους στο αξιόλογο περιοδικό Nature¹ με τίτλο «Υπεραγωγιμότητα σε 5,0° στριμμένη διπλή στρώση WSe2».

Οι Υποσχέσεις της Υπεραγωγιμότητας

Φθηνότερα και υψηλότερης θερμοκρασίας υπεραγώγιμα υλικά θα άλλαζαν εντελώς τις δυνατές εφαρμογές της τεχνολογίας. Αυτό θα επέτρεπε μεθόδους ψύξης όπως το υγρό άζωτο, ή ακόμη και την τεχνολογία ψύξης που χρησιμοποιείται σε καταψύκτες που αποθηκεύουν εμβόλια mRNA, να αντικαταστήσουν την πιο ενεργοβόρα εναλλακτική.

• Καλύτερο MRI, με υψηλότερη ανάλυση και φθηνότερο στην κατασκευή και λειτουργία, επιτρέπει να γίνει μια πολύ πιο συνηθισμένη ιατρική εξέταση.
• Συστήματα μαγνητοϋδροδυναμικής πρόωσης (γνωστά και ως μαγνητοϋδροδυναμικά συστήματα πρόωσης, MHD), τα οποία προωθούν πλοία διοχετεύοντας ηλεκτρικό ρεύμα στο θαλασσινό νερό.
• Πιο ισχυροί και αποδοτικοί ηλεκτρικοί κινητήρες.
• Μπαταρίες υψηλότερης πυκνότητας και ασφαλέστερες με Αποθήκευση Μαγνητικής Ενέργειας με Υπεραγωγούς (SMES).
• Υπεραγώγιμοι περιοριστές ρεύματος σφάλματος, διακόπτες και ασφάλειες για τη βελτίωση των υποδομών του ηλεκτρικού δικτύου.
• Μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις χωρίς απώλειες, η οποία θα μπορούσε να αυξήσει την αποδοτικότητα των ανανεώσιμων πηγών· για παράδειγμα, φωτοβολταϊκά που παραμένουν σε ηλιόλουστη περιοχή θα μπορούσαν να τροφοδοτούν μια πόλη χιλιάδες χιλιόμετρα μακριά.
• Φθηνότερα και ευκολότερα στη συντήρηση τρένα μαγνητικής αιώρησης και, αργότερα, συστήματα Hyperloop.
• Αισθητήρες και μαγνητόμετρα (υπεραγώγιμες συσκευές κβαντικής συμβολής – SQUID) για βιομηχανικές εφαρμογές.
• Υπεραγώγιμη κβαντική υπολογιστική
  • (μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για την πρόοδο της κβαντικής υπολογιστικής στο άρθρο μας «Η Τρέχουσα Κατάσταση της Κβαντικής Υπολογιστικής»).
• Αμυντικές και διαστημικές εφαρμογές, όπως ασπίδες ακτινοβολίας, ηλεκτρομαγνητικές εκτοξεύσεις, μαγνητικά έδρανα, αισθητήρες, ηλεκτρομαγνητικά πυροβόλα, πηνιοβόλα, λέιζερ και άλλα όπλα κατευθυνόμενης ενέργειας.

Υπάρχει το ενδεχόμενο η υπεραγωγιμότητα υψηλής θερμοκρασίας να επιτευχθεί με απατίτη μολύβδου με υποκατάσταση χαλκού (CSLA), όμως ο ισχυρισμός αυτός εξακολουθεί να αμφισβητείται έντονα από τους ειδικούς του πεδίου.

Υπεραγωγιμότητα Γραφενίου

Ενώ το γραφένιο είναι ένας εξαιρετικά αποδοτικός αγωγός ηλεκτρικής ενέργειας όταν βρίσκεται σε απλή στρώση, μπορεί να γίνει υπεραγώγιμο όταν διαμορφώνεται ως «στριμμένη διπλή στρώση». Αυτό συμβαίνει όταν οι 2 στρώσεις είναι ελαφρώς μη ευθυγραμμισμένες, με διαφορά 1,1°, που φαίνεται να είναι η μαγική γωνία για το γραφένιο.

Τον Νοέμβριο του 2024, αποδείχθηκε μαθηματικά ότι μια τέτοια διπλή στρώση θα μπορούσε να παραμείνει υπεραγώγιμη σε θερμοκρασίες έως και 60 K (-213 °C / -351 °F).

Από το 2020, ένα άλλο υλικό έχει υποπτευθεί ότι εμφανίζει παρόμοιο χαρακτηριστικό: το δισεληνιούχο βολφράμιο (WSe₂).

Πηγή: Max Planck Institute

Υπεραγωγιμότητα Δισεληνιούχου Βολφραμίου

Μέχρι τώρα, φαινόμενα που σχετίζονται με την υπεραγωγιμότητα είχαν εντοπιστεί σε πολλά υλικά που ανήκουν στην λεγόμενη κατηγορία των διχαλκογενών μετάλλων (TMDs).

Ωστόσο, η νέα έρευνα επιβεβαιώνει σαφώς την υπεραγωγιμότητα σε 5,0° (γωνία διαφοράς μεταξύ των στρωμάτων, όχι θερμοκρασία) στριμμένη διπλή στρώση WSe2.

Αυτό ήταν ιδιαίτερα έντονο σε χαμηλές θερμοκρασίες σε αυτό το πείραμα (426 mK), αλλά ωστόσο δείχνει ότι η υπεραγώγιμη ξυπνιά μπορεί να επιτευχθεί από άλλα στρωματικά υλικά εκτός του γραφενίου.

Η στριμμένη διπλή στρώση WSe2 παρουσίασε επίσης ένα σαφές όριο μεταξύ των υπεραγώγιμων και μαγνητικών φάσεων σε χαμηλές θερμοκρασίες, το οποίο θα μπορούσε να εξηγήσει τους υποκείμενους μηχανισμούς που καθιστούν το υλικό υπεραγώγιμο.

Καλύτερο από το Γραφένιο;

Εάν τα υλικά TMD μπορούν να είναι υπεραγώγιμα, ίσως στην πραγματικότητα είναι ανώτερα από το γραφένιο.

Ο λόγος είναι ότι τα υλικά TMD παρουσιάζουν επίσης πολλές άλλες επιθυμητές ιδιότητες που λείπουν από το γραφένιο, όπως εγγενές ενεργειακό κενό, μεγάλη σύζευξη σπιν–τροχιάς, κλείδωμα σπιν‑κοιλάδας και μαγνητισμό.

Σε αυτό το πλαίσιο, αυτό φαίνεται παρόμοιο με έναν άλλο τύπο προχωρημένων μετα‑υλικών, τα υλικά kagome, που επίσης παρουσιάζουν υπεραγωγιμότητα μαζί με μαγνητισμό, ενώ συνήθως αυτά τα δύο φαινόμενα δεν συμβαίνουν ταυτόχρονα.

Συνολικά, φαίνεται ότι ο τομέας της υπεραγωγιμότητας προχωρά πολύ γρήγορα και απορρίπτει τις προηγούμενες υποθέσεις του πεδίου σχετικά με το τι είναι και τι δεν είναι δυνατό.

Εταιρεία Βολφραμίου

Εάν οι διπλές στρώσεις βολφραμίου αποδείξουν ότι είναι υπεραγώγιμες, αυτό θα αποτελέσει μια σημαντική πρόσθετη περίπτωση χρήσης για το υπερσκληρό μέταλλο, το οποίο ήδη χρησιμοποιείται σε πολλές στρατιωτικές εφαρμογές, τη βιομηχανία ημιαγωγών και την προχωρημένη κατασκευή.

Αναλύσαμε διεξοδικά την επενδυτική περίπτωση του βολφραμίου στην έκθεση του Οκτωβρίου 2024 «Βολφράμιο – Το μυστικό μέταλλο υψηλής τεχνολογίας».

Από τότε, η Κίνα ανακοίνωσε περιορισμούς στην εξαγωγή βολφραμίου, ένα μέταλλο του οποίου το 80 % παράγεται από την Κίνα. Αυτό αφήνει πολύ λίγες εταιρείες ικανές να προμηθεύσουν τις δυτικές βιομηχανίες, ανεξάρτητα από την κινεζική αλυσίδα εφοδιασμού.

Almonty Industries

Η Almonty είναι μια εταιρεία εξόρυξης βολφραμίου που αυτή τη στιγμή παράγει κυρίως από ένα ορυχείο στην Πορτογαλία, το οποίο λειτουργεί τα τελευταία 125 χρόνια.

Η εταιρεία εργάζεται για την επέκταση του πορτογαλικού ορυχείου και κατέχει ανεκμετάλλευτα κοιτάσματα στην Ισπανία.

Πηγή: Almonty

Το πιο σημαντικό έργο της εταιρείας είναι η συνεχιζόμενη ανάπτυξη ενός νέου ορυχείου στο Sangdong, Νότια Κορέα. Το ορυχείο περιέχει περισσότερους εκτιμώμενους πόρους από όλα τα άλλα κοιτάσματά της μαζί.

Πηγή: Almonty

Ως μία από τις λίγες ενεργές και παραγωγικές εταιρείες εξόρυξης βολφραμίου στις δυτικές χώρες, η Almonty αποτελεί βασικό στρατηγικό προμηθευτή για τη βιομηχανία άμυνας. Συνεπώς, είναι μια σημαντική εταιρεία για τη μείωση της εξάρτησης από την κινεζική προμήθεια.

Η τοποθεσία του ορυχείου Sangdong το καθιστά ιδανικό προμηθευτή για τη βιομηχανία άμυνας, με τη Νότια Κορέα να αποτελεί νέο γίγαντα στην μαζική παραγωγή «χαμηλής τεχνολογίας» στρατιωτικού εξοπλισμού όπως τανκς, πυροβολικό και πυρομαχικά (σε σύγκριση με αεροσκάφη, αεροπλανοφόρα κ.λπ. που απαιτούν λιγότερο βολφράμιο).

Ενώ η Κίνα προετοιμάζεται να ανοίξει ένα τεράστιο ορυχείο βολφραμίου στο Καζακστάν, η Almonty είναι έτοιμη να «αλλάξει ουσιαστικά την πολιτική που σχετίζεται με την εξασφάλιση του βολφραμίου» όταν το ορυχείο Sangdong του έργου Almonty Korea Tungsten Project ενεργοποιηθεί μέσα σε λίγους μήνες. Όταν ξεκινήσει η παραγωγή, θα είναι ένα από τα μεγαλύτερα ορυχεία βολφραμίου στον κόσμο, καλύπτοντας το 30 % της μη κινεζικής προσφοράς.Lewis Black, διευθυντής, πρόεδρος και διευθύνων σύμβουλος της Almonty Industries (ALM )

Η Almonty θα πρέπει να αρχίσει την παραγωγή βολφραμίου από το κορεατικό ορυχείο στις αρχές έως τα μέσα του 2025.

Λόγω της στρατηγικής της θέσης ως ουσιαστικά ο μοναδικός μεγάλος προμηθευτής στη Δύση, η Almonty προσφέρθηκε μια εγγυημένη τιμή από την Plansee. Η Plansee είναι κατασκευαστής υψηλών επιδόσεων μετάλλων και ένας από τους μεγαλύτερους πελάτες της Almonty, καθώς και κάτοχος του 15 % της εταιρείας.

Η ελάχιστη εγγυημένη τιμή ήταν 235 $ ανά MTU (μετρική τόνα μονάδα), χωρίς ανώτατο όριο. Καθώς το ορυχείο Sangdong στοχεύει σε κόστος μετρητών 110 $ ανά MTU, αυτό θα εξασφαλίσει πρακτικά ένα υψηλό περιθώριο κέρδους για το έργο.

Με μια τυχερή σχεδόν τέλεια χρονική σύμπτωση μεταξύ της επικείμενης έναρξης του Sangdong και ενός νέου εμπορικού πολέμου μεταξύ της Αμερικής του Trump και της Κίνας, η τιμή της μετοχής αντέδρασε έντονα και αυξήθηκε κατά 40 % σε μόλις 2 ημέρες μετά την ανακοίνωση του περιορισμού εξαγωγής βολφραμίου από την Κίνα.

Αναφορά Μελέτης:

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