Bilayer-nikkelaatit: Uusi luokka korkean lämpötilan suprajohtimille

Superjohtavuuden 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 teknologista innovaatiota, 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 rajoituksista.

Lähde: XOT Metals

Kuitenkin suprajohtavuutta on tähän mennessä hallittu vain materiaaleissa, jotka osoittavat sitä äärimmäisen matalissa lämpötiloissa, vain muutaman asteen päällä absoluuttisesta nollapisteestä. Tai erittäin korkeassa paineessa.

Tämä tekee siitä paitsi liian monimutkaisen vain vaativimpiin sovelluksiin (maglev, MRI jne.), myös erittäin kalliin, mikä tekee siitä taloudellisesti kannattamatonta monille sovelluksille, jotka voisivat hyötyä suprajohtavasta materiaalista tai laajamittaisesta käytöstä.

Monia polkuja suprajohtavuuteen

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

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

Joten vuosien hitaan edistymisen jälkeen vaikuttaa siltä, että fyysikot alkavat avata täysin uusia tapoja luoda suprajohtavia materiaaleja. Ja uusi on nyt lisätty listaan, uusi nikkeliä sisältävä suprajohtavien perhe.

Kiinalaiset tutkijat Southern University of Science and Technology -laitoksessa Shenzhenissä ja Tsinghua-yliopistossa ovat havainneet, että kaksikerroksiset nikkelaatteja sisältävät suprajohtimet johtavat sähköä ilman vastusta, paljon yli absoluuttisen nollapisteen ja normaalipaineessa.¹

He julkaisi tuloksensa arvostetussa tieteellisessä lehdessä Nature otsikolla “Ambient-pressure superconductivity onset above 40 K in (La,Pr)3Ni2O7 films”.

Ei-liian-kylmät suprajohtimet

Korkean lämpötilan suprajohtavuus saattaa joskus tulla vaihtoehdoksi, erityisesti arvoituksellisen LK-99 (kuparilla korvattu lyijyapatitti – CSLA) tapauksen myötä, uusi tyyppi normaalipaineessa, huoneenlämpötilassa toimiva suprajohtin.

Väite kiistettiin ja kritisoitiin heti huijauksena tai mittausvirheenä, mutta muut tutkijat havaitsivat, että saattaa silti olla jotain tapahtumassa.

Mutta tämä ei ole ainoa suprajohtimien luokka, joka voisi toimia lämpimämmissä lämpötiloissa.

Äskettäin on havaittu, että kaksi keramiikkaryhmää (kuparipohjaiset kupraatit ja rautapohjaiset pniktidit) toimivat epätavallisina suprajohtimina, jotka toimivat normaalipaineessa ja lämpötiloissa jopa 150 K (–123 °C / -189 °F).

Lähde: Materials Today

Nyt näyttää siltä, että nikkelaatteja liitetään näihin keramiikkoihin luomaan materiaali, joka toimii suprajohtimina korkeammissa lämpötiloissa.

Vaikka ei olekaan niin lämmin, lämpötilan saavuttaminen on paljon helpompaa kuin nykyisillä suprajohtimilla. Esimerkiksi ITER:n suprajohtavat magnetit täytyy jäähdyttää lähes absoluuttiseen nollapisteeseen nestekaasulla, mikä on erittäin energiaintensiivinen ja kallis menettely.

Kaiken kaikkiaan tämä osoittaa, että suprajohtimet todennäköisesti yleistyvät merkittävästi keskipitkällä aikavälillä, kun yhä useampia niiden muotoja löydetään ja kokeillaan.

Suprajohtavat nikkelaatit

Nikkelaattia havaittiin potentiaalisiksi suprajohtavuusominaisuuksiksi vuonna 2019 Danfeng Lin, Hongkongin City Universityn fyysikon, ja hänen kollegansa toimesta. Vuonna 2023 toinen tiimi osoitti nikkelaattejen suprajohtavuuden korkeammissa lämpötiloissa, mutta korkeassa paineessa.

Lähde: Nature

Mutta joulukuussa 2024 nikkelaatteja havaittiin ensimmäistä kertaa menettävän vastusta kriittisessä lämpötilassa ja hylkäävän magneettikenttiä, molemmat vahvoja merkkejä suprajohtavuudesta.

Tämän tuloksen saavuttamiseksi yksikiteisiä elokuvia La2.85Pr0.15Ni2O7 (lantaani-praseodyymi-nikkeli) kasvatettiin tekniikalla, jota kutsutaan gigantic-oxidative atomic-layer-by-layer epitaxy (GOALL-Epitaxy). Tämä tekniikka kehitettiin samassa tutkimusryhmässä, ja se tarjoaa useita suuruusluokkia vahvempaa hapetusta ja tarkkuutta materiaalikerrosten tuottamiseen atomitasolla.

Lähde: Research Gate

Kehittyneitä analyysimenetelmiä käytettiin nikkeli-pohjaisen yhdisteen tutkimiseen, mukaan lukien skannaava läpäisevä elektronimikroskopia (STEM) -kuvat ja röntgenin käänteisen tilan kartoitukset (RSM).

Ne paljastivat tetragonaalisen faasin ilmestymisen nikkelidioksidikerroksessa, mikä saattaa olla vastuussa elektronien vapaasta virtauksesta oikeissa olosuhteissa.

Suprajohtavien materiaalien parantaminen

Nikkelaatin ominaisuuksien parantamiseen käytettyä alustavaa menetelmää voidaan edelleen kehittää. Tämä pitäisi johtaa useisiin kokeisiin, jotka nostavat näiden suprajohtimien lämpötilaa entisestään.

“On suuri toivo, että voisimme lopulta nostaa kriittistä lämpötilaa ja tehdä tällaisista materiaaleista käyttökelpoisempia sovelluksissa.” Danfeng Li – Fyysikko Hongkongin City Universityssä.

Analyysi osoittaa, että prosessi, joka antaa nikkelaatteille suprajohtavuuden, on samanlainen kuin se, joka vaikuttaa kupraatteihin (valmistettu kuparista).

”Tämän lisääminen on prioriteetti. Tiimi kokeilee erilaisia temppuja materiaalin kasvatusmenetelmän ja tarkkan koostumuksen hienosäätämiseksi.” Zhuoyu Chen – Fyysikko SUSTechissä.

Kokeita ennen teoriaa

On syytä huomauttaa, että viimeaikaiset tulokset, jotka koskevat korkeampilämpötilaisia suprajohtimia tai jopa mahdollisia huoneenlämpöisiä suprajohtimia, etenevät teoreettista fysiikkaa alalla edellä.

Joten, miksi se toimii, on edelleen melko mysteeri. Täydellistä selitystä siitä, miksi nämä materiaalit ovat suprajohtimia, ei ole vielä, eikä myöskään ennustavaa menetelmää, jolla voitaisiin arvioida, mikä materiaali saattaa osoittaa näitä ominaisuuksia.

Tähän asti korkean paineen tai hyperkylmien olosuhteiden tarve on merkittävästi haitannut näiden materiaalien tutkimusta, koska oli vaikeaa testata mitään, kun suprajohtavuus tapahtuu vain timantti-ankkurissa tai nestekaasussa.

Helpommin ylläpidettävät olosuhteet antavat tutkijoille paljon enemmän liikkumavaraa tutkia näitä materiaaleja ja muokata niitä.

Joten tämä jättää runsaasti tilaa parannuksille, ja parempi ymmärrys näistä materiaaleista, myös tekoälyn avustuksella, auttaa etenemään pidemmälle.

Sen tulisi myös houkutella lisää tutkijoita alalle ja yhä useampia yrityksiä suuntaamaan T&K-budjetteja näihin projekteihin, nopeuttaen edistymisen tahtia.

Tulevaisuuden sovellukset

Korkean lämpötilan suprajohtimet olisivat välittömästi ihmeaine, jos ne ymmärrettäisiin riittävän hyvin massatuotantoa varten.

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

Se tekisi myös mahdolliseksi teknologioita, joita tähän mennessä ei ole voitu toteuttaa tai jotka olivat kohtuuttoman kalliita matalalämpötilaisen suprajohtavuuden teknisten rajoitusten vuoksi.

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

Suprajohtavuusratkaisujen 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 suprajohtojärjestelmiä myös esimerkiksi vaihteistokytkentöjä tuuliturbiineille.

Yritys hyödyntää useita kasvun ajureita, kuten sähköistymisen ja digitalisaation (mukaan lukien AI-datakeskukset) trendejä, mutta myös Yhdysvaltojen valmistuskapasiteettien uudelleensijoittamista ja englanninkielisten maiden laivastojen tarvetta modernisoitua vastauksena kasvaviin geopoliittisiin riskeihin.

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

Sähkönsyöttösegmentissä AMSC on nähnyt tasaisen tilauskasvun. Tämä johtui puolijohde-tehtaiden halusta suojautua sähköverkon vaihteluilta, auttaen verkkoa käsittelemään uusiutuvien energialähteiden epäsäännöllisyyttä, sekä sähkönsyötön ja ohjauksen tarpeesta teollisuuslaitoksissa.

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 elpymään 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”, järjestelmän, joka muuttaa alusten magneettista allekirjoitusta suojellakseen niitä merimiinoilta. Tämä on myyty Yhdysvaltain, Kanadan ja Yhdistyneen kuningaskunnan laivastoille, ja tähän mennessä tilauksia on kertynyt 75 M $.

Kaiken kaikkiaan ASMC menestyy parhaiten hyödyntämällä suprajohtavuutta tänään toteutettavissa olevissa niche-sovelluksissa, mutta on todennäköisesti valmis käyttämään lisäedistysaskeleita tulevaisuudessa. Sijoittajien tulisi myös huomata, että osake on kokenut äärimmäistä volatiliteettia menneisyydessä, ja laskea riskit sen mukaisesti.

Uusimmat tiedot American Superconductor Corporationista

Tutkimusviite:

^{1.Zhou, G., Lv, W., Wang, H. et al.(2025) Ambient-pressure superconductivity onset above 40 K in (La,Pr)3Ni2O7 Nature. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08755-z}