Materiaalitiede
NUS löytää kuparittoman materiaalin, jolla on korkean lämpötilan superjohtavuus
Superjohtavuuden potentiaali
Sähkö on yksi ihmiskunnan koskaan keksimistä tärkeimmistä teknologioista. Tavallisessa muodossaan se aina kohtaa jonkin verran sähkövastusta, mikä aiheuttaa lämpöä, kun sähkövirta kulkee.
Tämä voi aiheuttaa vakavia rajoituksia joillekin sovelluksille, jotka vaativat liian voimakasta virtaa tai magneettikenttiä, koska se johtaisi sähköjärjestelmän sulamiseen.
Vaihtoehto on superjohtavuus, ilmiö, jossa sähkövastus laskee nollaan. Kuitenkin hyvin pitkään sitä voitiin havaita vain äärimmäisen alhaisissa lämpötiloissa, lähellä absoluuttista nollapistettä (0 K), eli noin -273 °C/-387 K.
Tämä muuttui vuonna 1987 Nobel‑palkinnon saanut löytö: korkean lämpötilan superjohtimet, jotka on valmistettu kuparidioksideista.
Ilman superjohtavuutta monia nykyaikaisia teknologioita ei olisi mahdollista, mukaan lukien hiukkaskiihdyttimet (esimerkiksi CERN), MRI-laitteet ja maglev-junat.
Superjohtavuus tulee myös olemaan keskeinen osa lupaavimpia megaprojekteja ja teknologisia innovaatioita, kuten ITER ja ydinfuusio, massaveto, kvanttitietokoneet, jne.
Häviöttömät sähkölinjat voisivat myös olla ratkaisevia kehittäessä erittäin pitkiä verkko-yhteyksiä, jotka auttavat tasapainottamaan uusiutuvan energian tuotantoa sääolosuhteiden ja aikavyöhykkeiden yli, ratkaisten joitakin aurinko- ja tuulivoiman rajoituksista.
Lähde: XOT Metals
Korkean lämpötilan superjohtavuus
Toistaiseksi alhaisen lämpötilan vaatimus tekee superjohtavuudesta taloudellisesti kannattavaa vain huippusovelluksissa: maglev, MRI, jne.
Ja vaikka se on tieteellisesti mielenkiintoista, korkean paineen alainen superjohtavuus on suhteellisen hyödytöntä käytännön sovellusten kannalta.
Viime aikoina superjohtavuuden alalla on tapahtunut melko paljon edistystä, mikä saattaa muuttaa tilannetta:
- Nyt näyttää siltä, että korkeapaineessa tuotettu materiaali saattaa pystyä säilyttämään osan superjohtavuudestaan alemmassa paineessa kokeellisen menetelmän, pressure‑quench protocol (PQP), avulla.
- Kierretty kaksikerros WSe₂ (tungsten seleniidi) vaikutti myös olevan hyvä materiaalikandidaatti korkeamman lämpötilan superjohtimille.
- Toinen uusi mahdollisten superjohtimien luokka, kaksikerroksinen nikkelaatti, on saattanut myös tulla lisätyksi listaan tänä vuonna.
- Sitten ilmestyi hämmentävä tapaus LK-99 (kuparilla korvattu lyijyapatitti – CSLA), mahdollisesti uusi tyyppi ympäristöpaineessa toimivasta huoneenlämpöisestä superjohtimesta.
- Väite kiistettiin ja kritisoitiin välittömästi huijauksena tai mittausvirheenä, mutta myöhemmin toiset tutkijat havaitsivat, että jokin saattaa silti tapahtua.
Huolimatta näistä uusista löydöksistä superjohtavuutta ei edelleen ymmärretä hyvin, ja siihen liittyy paljon arvailua uusien materiaalien löytämiseksi, joilla on tämä ominaisuus. Siksi parempi teoreettinen viitekehys on tarpeen.
Yksi palanen palapeliä löydettiin maaliskuussa 2025, kun saatiin parempi ymmärrys siitä, mitkä ovat mahdolliset korkeammat lämpötilat superjohtavuudelle (Tc).
Toinen on Singaporen kansallisen yliopiston (National University of Singapore) tutkijoiden luoma uusi teoreettinen malli, joka on jo johtanut kuparittoman superjohtavan materiaalin löytöön. Tämä saavutus ilmoitettiin äskettäin arvostetussa tieteellisessä julkaisussa Nature1, otsikolla “Massainen superjohtavuus lähellä 40 K rei’ähdytetyssä SmNiO₂:nä ympäristöpaineessa”.
Uusi superjohtavuusmalli
Superjohtavuuden selittäminen
Tutkijat työskentelivät kehittäen uutta teoreettista mallia, joka selittää, miten superjohtavuus toimii. Tämä on monimutkainen aihe, jonka voi tiivistää yksinkertaisemmin muutamalla keskeisellä käsitteellä:
Cooper-parit, eli kaksi kvantti-ilmiön kautta sidottua elektronia, ovat avaintekijä materiaalin superjohtavuudessa.
Cooper-parien kondensaatio luo superjohtavuuden, ainakin niiden tutkijoiden mukaan, jotka alun perin selittivät superjohtavuuden (Bardeen–Cooper–Schrieffer -teoria, BCS-teoria), ja voittivat vuoden 1972 Nobel‑palkinnon fysiikassa tälle ajatukselle.
Se on fononit, eli materiaalin hilassa tapahtuva kvanttitasoinen värähtely, jotka ohjaavat elektronien parittumista Cooper-pareiksi. Kun riittävästi Cooper-pareja muodostuu, tämä mahdollistaa elektronien liikkumisen materiaalissa ilman törmäyksiä, poistaen sähkövastuksen.
Lähde: Fiveable
Uusien superjohtimien ennustaminen ja tuottaminen
Uusi malli, joka ennustaa Cooper-parejen muodostumista, auttaa tutkijoita ennustamaan monia mahdollisia superjohtimia, mukaan lukien sellaisia, jotka eivät sisällä kupariatomeja.
He onnistuivat sitten synteettisesti valmistamaan yhden ennustetuista materiaaleista: samarium-euroopium-kalsium-nikkelidioksidi (Sm-Eu-Ca)NiO₂.
“Kuten ennustimme ja suunnittelimme, tämä kuparittomaan perustuva superjohtava oksidi osoittaa korkean lämpötilan superjohtavuutta ilmakehän paineessa merenpinnalla, ilman lisäpainotusta – aivan kuten kuparidioksidit.
Tämä havainto viittaa siihen, että epätavallinen korkean lämpötilan superjohtavuus ei ole rajoittunut kupariin, vaan voi olla laajemmin esiintyvä ominaisuus jaksollisen taulukon alkuaineissa.
Tohtori Stephen Lin Er Chow – tutkija Singaporen kansallisessa yliopistossa
Zhaoyang Luo, Singaporen kansallisen yliopiston tohtorikoulutuksen opiskelija, osoitti synteettisen materiaalin korkean kiteisyyden ja puhtaan faasin elektronimikroskopian avulla. Tämä tekee uudesta materiaalista erittäin vakaan, mikä tekee siitä hyvän ehdokkaan mahdollisiin tuleviin teollisiin sovelluksiin.
“Tämä on ensimmäinen kerta Nobel-palkinnon voiton jälkeen, kun kupariton korkean lämpötilan superjohtava oksidi on löydetty toimivan ympäristöpaineessa.
Lisäksi tämä uusi materiaali on erittäin vakaa ympäristöolosuhteissa, mikä parantaa merkittävästi sen saatavuutta.
Prof. Ariando – professori Singaporen kansallisessa yliopistossa
Uuden materiaalin tuotantomenetelmä on myös melko kestävä, eikä sen aikana ilmene rakenteellisia vikoja, mikä lisää edelleen potentiaalia käytännön sovelluksiin.
Sovellukset ja tuleva kehitys
Nyt kun heillä on vankempi teoreettinen viitekehys, tutkijat voivat yrittää hienosäätää joitakin erityisiä superjohtavien materiaalien parametreja. Erityisesti he mainitsevat atomiset ja molekyyliset ominaisuudet, kuten elektronien täyttötilan siirtyminen ja hydrostaattinen paine.
Tämä voisi avata tien täysin uusille superjohtimien tyypeille tai jopa uudelle superjohtimien perheelle, joilla on vielä korkeammat käyttölämpötilat.
Mikä tahansa korkeampi lämpötilan superjohtin, joka voidaan valmistaa mittakaavassa, voisi aiheuttaa kaksi päävaikutusta:
- Vähentää dramaattisesti superjohtimia nykyisesti käyttävien teknologioiden kustannuksia, demokratisoiden niiden käyttöä, erityisesti maglev-junissa ja MRI-laitteissa.
- Avaa uusia käyttöalueita, erityisesti jos Tc-lämpötila nousee riittävän korkeaksi vastaamaan nestemäistä typpeä (-196 °C / -320 °F), joka on paljon halvempi ja helpommin tuotettavissa oleva jäähdytysneste kuin nykyisesti superjohtavissa materiaaleissa käytetyt.
- Nämä uudet sovellukset voivat sisältää sähkönsiirron, energian varastoinnin, laserit, alukset, avaruuspropulsio- ja kiertoradan pääsyn (massavetoja), jne.
Tämä havainto on syvällinen sekä teoreettisen ymmärryksen että kokeellisen toteutuksen kannalta laajemman valikoiman superjohtavien materiaalien, joilla on käytännön sovelluksia nykyaikaisessa elektroniikassa,
Prof. Ariando – professori Singaporen kansallisessa yliopistossa
Johtajat superjohtavuusratkaisuissa
American Superconductor Corporation
(AMSC )
AMSC on yritys, joka tarjoaa energiaratkaisuja sähköverkkoon, aluksiin ja tuulienergiaan. Yleisesti ottaen, mitä enemmän energiaa järjestelmä kuluttaa tai mitä suurempi se on, sitä enemmän se tarvitsee superjohtavuutta ylikuumenemisen välttämiseksi.
Huolimatta nimestään, ASMC tarjoaa paitsi superjohtajasysteemejä myös esimerkiksi vaihteistokäyttövoimia tuuliturbiineille.
Yritys hyödyntää useita kasvun ajureita, kuten sähköistymisen ja digitalisaation (mukaan lukien AI-datakeskukset) trendiä, sekä Yhdysvaltojen valmistuskapasiteettien uudelleensijoittamista ja englanninkielisten maiden laivastojen tarvetta modernisoitua kasvavien geopoliittisten riskien vuoksi.
Lähde: American Superconductor Corporation
Sähkövirransyöttösegmentissä AMSC on nähnyt tasaisen tilauskasvun. Tämä johtui puolijohdevalmistajien halusta suojautua sähköverkon vaihteluilta, auttaen verkkoa käsittelemään uusiutuvien energialähteiden epäsäännöllisyyttä, sekä sähkövirransyötön ja ohjausten tarpeesta teollisuuslaitoksilla.
Tuuliturbiinisegmentissä AMSC on pääasiassa aktiivinen sähköohjausjärjestelmän (ECS) kanssa. Historiallisesti ESC oli vahva segmentti yritykselle 2 MW tuuliturbiinien myötä, mutta se on vähitellen heikentynyt. AMSC pyrkii elpymään uuden 3 MW turbiinisuunnittelun ansiosta, keskittyen erityisesti intialaiseen markkinaan.
Sotilaallisille aluksille ASMC tarjoaa “AMSC:n korkean lämpötilan superjohtavan magneettisen miinan torjuntajärjestelmän”, jonka avulla alusten magneettista allekirjoitusta voidaan muuttaa suojautumaan merimiinoilta. Tämä on myyty Yhdysvaltain, Kanadan ja Ison-Britannian laivastoille, ja tilauksia on tähän mennessä kertynyt 75 miljoonaa dollaria.
Kaiken kaikkiaan ASMC menestyy parhaiten hyödyntämällä superjohtavuutta tänään toteutettavissa olevissa niche-sovelluksissa, ja on todennäköisesti valmis käyttämään lisäedistysaskeleita tulevaisuudessa. Sijoittajien tulisi myös huomioida, että osake on aiemmin kokenut äärimmäistä volatiliteettia, ja heidän tulisi laskea riskit sen mukaisesti.
Uusimmat tiedot American Superconductor Corporationista
Viitteet:
1. Chow, S.L.E., Luo, Z. & Ariando, (2025) A. Massainen superjohtavuus lähellä 40 K rei’ähdytetyssä SmNiO2ympäristöpaineessa. Nature. 20 maaliskuu 2025. https:://doi.org/10.1038/s41586-025-08893-4
