Υπέρυθρηξία σε Στριμμένη Διπλή Στρώση WSe₂: Ένας Νέος Ανταγωνιστής του Γραφενίου;

Ένα Νέο Υπέρυθριχο Υλικό

Superconductivity is a phenomenon that, if mastered at scale and low cost, would revolutionize human civilization. This is because, for most high-tech applications, the levels of power or magnetic field required can only be handled by superconducting materials, with any electric resistance leading to excessive overheating.

Η υπέρυθρηξία 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 υπέρυθριχα υλικά, ενώ οποιαδήποτε ηλεκτρική αντίσταση οδηγεί σε υπερβολική υπερθέρμανση.

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

Αυτό καθιστά την υπέρυθρηξία 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 υπέρυθρηξία.

Ωστόσο, φαίνεται ότι αυτό που καθιστά το γραφένιο υποσχόμενο μπορεί να επεκταθεί σε άλλα υλικά όπως το βανάδιο, ανοίγοντας την αναζήτηση για ένα νέο υπέρυθριο 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 «Υπέρυθρηξία σε 5,0° στριμμένη διπλή στρώση WSe2».

Οι Υποσχέσεις της Υπέρυθρηξίας

Cheaper and higher-temperature superconducting materials would completely change the possible applications of the technology. This would allow for cooling methods like liquid nitrogen, or even just the cooling technology used in freezers storing mRNA vaccines, to replace the more energy-intensive alternative.

Φθηνότερα και υψηλότερης θερμοκρασίας υπέρυθριχα 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 προώθησης με ηλεκτρομαγνητικό ώθηση (also called μαγνητοϋδροδυναμικό (MHD) drives) propel ships through electrifying seawater.
• Πιο ισχυροί και αποδοτικοί ηλεκτρικοί κινητήρες.
• Μπαταρίες υψηλότερης πυκνότητας και ασφαλέστερες με Αποθήκευση Υπέρυθρηξίας Μαγνητικού Ενέργειας (SMES).
• Υπέρυθριοι περιοριστές, διακόπτες και ασφάλειες to improve the electric grid infrastructure.
• Μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας μεγάλων αποστάσεων χωρίς απώλειες, which could boost renewable energy efficiency, for example, with solar panels still in the sun powering a city thousands of kilometers away.
• Φθηνότεροι και πιο εύκολοι στη συντήρηση μαγνητικοί τρένοι or later on Hyperloop systems.
• Αισθητήρες/μαγνητόμετρα (Συσκευές Υπέρυθρης Κβαντικής Παρεμβολής – SQUIDS) for application in industrial settings.
• Υπέρυθρη κβαντική υπολογιστική
  • (μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για την πρόοδο της κβαντικής υπολογιστικής στο άρθρο μας «Η Τρέχουσα Κατάσταση της Κβαντικής Υπολογιστικής»).
• Εφαρμογές Άμυνας & Διαστημικής, including radiation shields, electromagnetic launches, magnetic bearings, sensors, railguns, coil guns, lasers, and other energy weapons.

There is a possibility η υψηλή θερμοκρασία υπέρυθρηξίας μπορεί να επιτευχθεί με ορείχαλκο‑αντικατεστημένο οξυγόνο (CSLA), but this claim is still hotly debated by scientists specialized in this field, a few years later.

Υπέρυθρηξία Γραφενίου

While graphene is a remarkably efficient electricity conductor when in a simple layer, it can become a superconductor when shaped as a “twisted bilayer”. This is when the 2 layers are slightly misaligned, with a 1.1° difference, apparently the magic angle for graphene.

Ενώ το γραφένιο είναι ένας εξαιρετικά αποδοτικός αγωγός ηλεκτρικής ενέργειας όταν βρίσκεται σε απλή στρώση, μπορεί να γίνει υπέρυθριο 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 υπέρυθρη σε θερμοκρασίες έως και 60 K (-213 °C / -351 °F).

Από το 2020, ένα άλλο υλικό έχει υποπτευθεί ότι εμφανίζει παρόμοιο χαρακτηριστικό: το βανάδιο‑σελήνιο (WSe₂).

Πηγή: Max Planck Institute

Υπέρυθρηξία Βανάδιου‑Σεληνίου

Until now, phenomena correlated to superconductivity had been detected in many materials part of the so-called transition metal dichalcogenides (TMDs) class.

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

Ωστόσο, η νέα έρευνα επιβεβαιώνει σαφώς την υπέρυθρηξία 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 υπέρυθρη ξυπνιά μπορεί να επιτευχθεί από άλλα στρωματικά υλικά εκτός του γραφενίου.

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

Καλύτερο από το Γραφένιο;

If TMD materials can be superconducting, they might actually be superior to graphene.

Εάν τα υλικά TMD μπορούν να είναι υπέρυθρα, 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 συζευγήση σπιν‑ορbιτών, 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 υπέρυθρηξία μαζί με μαγνητισμό, ενώ συνήθως αυτά τα δύο φαινόμενα δεν συμβαίνουν ταυτόχρονα.

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

Εταιρεία Βανάδιου

If tungsten bilayers prove to be superconductive, this would be an important additional use case for the ultra-hard metal, already used in many military applications, the semiconductor industry, and advanced manufacturing.

Εάν οι διπλές στρώσεις βανάδιου αποδείξουν ότι είναι υπέρυθρες, 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.

We covered the investment case for tungsten in detail in the Οκτώβριος 2024 report “Βανάδιο – Το Μυστικό Υψηλής Τεχνολογίας Μέταλλο”.

Από τότε, η Κίνα ανακοίνωσε περιορισμούς στην εξαγωγή βανάδιου, 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 βανάδιου 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 ακατοίκητες 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 βανάδιου 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, πυροβολαρχία και πυρομαχικά (σε σύγκριση με αεροσκάφη, αεροπλανοφόρα κ.λπ. που απαιτούν λιγότερο βανάδιο).

Ενώ η Κίνα προετοιμάζεται να ανοίξει ένα τεράστιο ορυχείο βανάδιου στο Καζακστάν, η Almonty είναι έτοιμη να «αλλάξει ουσιαστικά την πολιτική που σχετίζεται με την εξασφάλιση του βανάδιου» 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 βανάδιου στον κόσμο, καλύπτοντας το 30 % της μη κινεζικής προσφοράς.Lewis Black, director, president, and CEO of Almonty Industries

Η Almonty θα πρέπει να αρχίσει την παραγωγή βανάδιου 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 βανάδιου από την Κίνα.

Αναφορά Μελέτης:

^{1. Guo, Y., Pack, J., Swann, J. et al. (2025) Υπέρυθρηξία σε 5,0° στριμμένη διπλή στρώση WSe2. Nature 637, 839–845. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08381-1}