Ovatko huoneenlämpöiset suprajohtimet edes mahdollisia? QMUL sanoo kyllä

Suprajohtavuuden rajoitukset

Sähkö on ollut yksi historian merkittävimmistä mullistavista teknologioista, mahdollistaen erittäin hyödyllisen energiamuodon siirron pitkiä matkoja. Mutta jokainen “normaali” sähköjärjestelmä kohtaa sähkövastuksen, mikä johtaa lämmön syntymiseen, kun sähkövirta kulkee.

Vaihtoehto on olemassa: niin kutsutut suprajohtavat materiaalit. Suprajohtavilla materiaaleilla on nollasähkövastus, mikä mahdollistaa äärimmäisen voimakkaiden virtojen käytön ilman lämmön syntymistä.

Ilman suprajohtavuutta monet nykyaikaiset teknologiat eivät olisi mahdollisia, mukaan lukien hiukkaskiihdyttimet (esimerkiksi CERN), MRI ja maglev-junat.

Suprajohtavuus tulee olemaan keskeinen osa lupaavimpia megahankkeita ja teknologisia innovaatioita, kuten ITER ja ydinfuusio, massiajurit, kvanttitietokoneet, jne.

Nollahäviöiset sähkölinjat voisivat myös olla ratkaisevia kehittäessä erittäin pitkiä verkko-yhteyksiä, jotka auttavat tasapainottamaan uusiutuvan energian tuotantoa sääolosuhteiden ja aikavyöhykkeiden mukaan, ratkaisten joitakin aurinko- ja tuulivoiman rajoituksia.

Lähde: XOT Metals

Kuitenkin suprajohtavuutta on tähän mennessä hallittu vain materiaaleissa, jotka näyttävät sen äärimmäisen alhaisissa lämpötiloissa, vain muutaman asteen päässä absoluuttisesta nollapisteestä. Tai erittäin korkeassa paineessa. Tai molemmissa.

Tämä tekee siitä paitsi liian monimutkaisen kaikkein vaativimpiin sovelluksiin (maglev, MRI, jne.) myös erittäin kalliin, jolloin se on taloudellisesti kannattamaton monille sovelluksille, jotka voisivat hyötyä suprajohtavasta materiaalista tai laajamittaisesta käytöstä.

Useita polkuja suprajohtavuuteen

Nyt näyttää siltä, että korkeapaineessa tuotettu materiaali saattaa pystyä säilyttämään osan suprajohtavuudestaan alemmassa paineessa kokeellisen menetelmän, nimeltään pressure-quench protocol (PQP), avulla.

Äskettäin WSe₂:n (tungsten-seleni) kiertyneen kaksikerroksen vaikutti myös olevan hyvä materiaalikandidaatti korkeampilämpötilaisille suprajohtimille.

Toinen uusi potentiaalisten suprajohtimien luokka, kaksikerroksiset nikkelaatit, on saattanut myös tulla lisätyksi listaan tänä vuonna.

Uusien materiaalien löytäminen, jotka ovat suprajohtimia korkeammissa lämpötiloissa, on ongelmallista, koska emme oikeastaan ymmärrä miten se toimii. Tämä pätee erityisesti korkean lämpötilan tai huoneenlämpöisen suprajohtavuuden osalta. Hetken ajan sen katsottiin olevan täysin mahdotonta.

Sitten ilmestyi hämmentävä tapaus LK-99 (kuparilla korvattu lyijyapatitti – CSLA), mahdollisesti uusi tyyppi huoneenlämpöisestä suprajohtimesta normaalipaineessa. Väite kiistettiin heti ja kritisoitiin huijauksena tai mittausvirheenä, mutta muut tutkijat havaitsivat, että jotain saattaa silti tapahtua.

Uusi edistys teoreettisessa fysiikassa, jonka ovat tehneet QMUL:n (Queen Mary University of London), Cambridge Universityn ja Intellectual Venturesin tutkijat, saattaa valaista, miten huoneenlämpöiset suprajohtimet voisivat olla mahdollisia.

He julkaisi tuloksensa¹ Journal of Physics: Condensed Matter -lehdessä otsikolla “Upper bounds on the highest phonon frequency and superconducting temperature from fundamental physical constants”.

T_C -rajan ymmärtäminen

Jokainen suprajohtava materiaali määritellään arvolla, jota kutsutaan T_C (kriittinen lämpötila). Useimmilla suprajohtavuutta omaavilla materiaaleilla T_C on vain muutama aste absoluuttisen nollapisteen yläpuolella.

Kuitenkin tämä uusi tutkimus jatkoi T_C-arvon teoreettisten rajojen tutkimista.

Tällainen raja määräytyy universumin perusvoimien ja -vakioiden, kuten elektronin massan, elektronin varauksen ja Planckin vakion, perusteella.

Tämä työ todistaa, että nämä vakioiden “asettavat ylärajan fononien taajuudelle kondensoiduneissa ainevaiheissa, tai kuinka nopeasti atomi voi värähdellä näissä vaiheissa”. Tämä puolestaan määrittää mahdollisen T_C:n alarajan ja ylärajan, koska fononit vaikuttavat suprajohtavan lämpötilan mahdollisuuksiin.

Ylä- ja alarajat T_C

Matematiikka ja hiukkasfysiikka, joita käytetään määrittämään, mikä T_C on mahdollinen tai ei, ovat melko monimutkaisia …

Tässä esimerkki tieteellisestä artikkelista sen johdannossa:

“Tiheysfunktionaaliteoriassa (DFT) tekemissämme laskelmissa käytämme samankaltaisia menetelmiä kuin aikaisemmassa artikkelissamme. Tämä sisältää Perdew–Burke–Ernzerhof -vaihtokorrelaatiofunktionaalin, energian katkaisuarvon 1200 eV ja k-pisteverkoston, jonka välistys on 2π×0.025Å−1 elektronisen Brillouinin vyöhykkeen näytteistämiseen.”

Yksinkertaistamiseksi tutkijoiden kehittämä malli tutkii, kuinka korkea atomin värähtelytaajuus voi olla kiinteissä tai nestemäisissä aineissa.

Tämä asettaisi suprajohtavuuden T_C -ylärajan 100–1 000 K, eli -173,15–726 °C / -279–1340 °F. Tämä merkitsisi, että suprajohtavuus olisi ainakin teoriassa täysin toteutettavissa huoneenlämpötiloissa.

Se asettaa vahvasti huoneenlämmön mahdolliseen alueeseen, jossa suprajohtavuus on mahdollinen, muuttaen radikaalisti aiempaa käsitystämme huoneenlämpöisen suprajohtavuuden teoreettisesta mahdottomuudesta.

Syvempi ymmärrys universumista

Tulokset on jo itsenäisesti vahvistettu erillisessä tutkimuksessa, mikä vahvistaa, että tämä tarkempi teoreettinen analyysi todennäköisesti vastaa fyysistä todellisuutta.

Tämän pitäisi merkittävästi stimuloida suprajohtavuustutkimuksen alaa, koska nyt on teoreettinen viitekehys, joka selittää paremmin, miksi huoneenlämpöiset suprajohtimet ovat mahdollisia.

“Tämä löytö kertoo meille, että huoneenlämpöistä suprajohtavuutta ei suljeta perusvakioiden perusteella. Se antaa toivoa tutkijoille: unelma on yhä elossa.”

Professori Pickard – fysiikan professori Cambridge Universityssä

Tulevaisuuden sovellukset

Huoneenlämpöiset suprajohtimet olisivat välittömästi ihmeaine, jos ne ymmärrettäisiin riittävän hyvin niiden massatuotantoa varten.

Ensimmäinen välitön vaikutus olisi vähentää jo suprajohtavuutta hyödyntävien laitteiden, kuten MRI:n, maglev-junien, kehittyneiden turbiinien ja generaattorien, hiukkaskiihdyttimien, kokeellisten fuusioreaktoreiden, jne., kustannuksia.

Se mahdollistaisi myös teknologian, jota tähän asti ei ole voitu toteuttaa tai joka oli kohtuuttoman kallista matalalämpötilaisen suprajohtavuuden teknisten rajoitteiden vuoksi.

Tämä sisältää hyperloop-junat, massiajurit kiertoradan saavuttamiseksi, kaupallinen ydinfuusio, mannertenväliset verkko-yhteydet, jne. Jokainen näistä on teknologia, joka muuttaisi ikuisesti ihmiskunnan kehityspolkua.

Suprajohtavuuden ratkaisujen johtajat

AMSC on yritys, joka tarjoaa energiaratkaisuja sähköverkkoon, aluksiin ja tuulienergiaan. Yleisesti ottaen, mitä enemmän energiaa kuluttava tai massiivinen järjestelmä on, sitä enemmän se tarvitsee suprajohtavaa teknologiaa ylikuumenemisen välttämiseksi.

Nimestään huolimatta ASMC tarjoaa paitsi suprajohtavia järjestelmiä myös esimerkiksi vaihteistoja tuuliturbiineille.

Yritys hyödyntää useita kasvun ajureita, kuten sähköistymisen trendiä ja digitalisaatiota (mukaan lukien AI-datakeskukset), mutta myös Yhdysvaltojen valmistuskapasiteettien uudelleensijoittamista ja englanninkielisten maiden laivastojen tarvetta modernisoitua kasvavien geopoliittisten riskien vastauksena.

Lähde: American Superconductor Corporation

Sähkösyöttösegmentissä AMSC on nähnyt tasaisen tilauskasvun. Tämä johtui puolijohdevalmistamojen halusta suojautua sähköverkon vaihteluilta, auttaen verkkoa käsittelemään uusiutuvien energialähteiden epäsäännöllisyyttä, sekä sähkösyötön ja ohjauksen tarpeesta teollisuuslaitoksilla.

Lähde: American Superconductor Corporation

Tuuliturbiinisegmentissä AMSC on enimmäkseen aktiivinen sähköohjausjärjestelmän (ECS) kanssa. Historiallisesti ESC oli vahva segmentti yritykselle 2 MW tuuliturbiinien kanssa, mutta se on vähitellen heikentynyt. AMSC pyrkii elpymiseen uuden 3 MW turbiinisuunnittelun ansiosta, keskittyen erityisesti intialaiseen markkinaan.

Lähde: American Superconductor Corporation

Sotilaallisille aluksille ASMC tarjoaa “AMSC:n korkean lämpötilan suprajohtava magneettinen miinan torjuntajärjestelmä”, jonka avulla alusten magneettista allekirjoitusta muutetaan suojaamaan ne merimiinoilta. Tämä on myyty Yhdysvaltain, Kanadan ja Britannian laivastoille, ja tähän mennessä on saatu 75 M $ arvoisia tilauksia.

Kaiken kaikkiaan ASMC menestyy parhaiten hyödyntämällä suprajohtavuutta nykyisin toteutettavissa olevissa niche-sovelluksissa, ja on todennäköisesti valmis käyttöönottelemaan lisäedistysaskeleita tulevaisuudessa. Sijoittajien tulisi myös huomioida, että osake on kokenut aikaisemmin äärimmäistä volatiliteettia, ja heidän tulisi laskea riskit sen mukaisesti.

Uusimmat tiedot American Superconductor Corporation

Viitteet:

^{1. K Trachenko, B Monserrat, M Hutcheon and Chris J Pickard.(2025) Korkeimman fononitaajuuden ja suprajohtavan lämpötilan ylärajat perusfysiikan vakioista. Journal of Physics: Condensed Matter. 37165401. 13 maaliskuu 2025. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-648X/adbc39}