Superjohtavuus kierretyssä kaksikerroksisessa WSe₂: Uusi grafeenin kilpailija?

Uusi superjohtava materiaali

Superjohtavuus on ilmiö, joka hallittuna suuressa mittakaavassa ja alhaisella kustannuksella, mullistaisi ihmiskunnan. Tämä johtuu siitä, että useimmissa korkean teknologian sovelluksissa vaadittavat teho- tai magneettikenttätasot voidaan käsitellä vain superjohtavilla materiaaleilla, ja jokainen sähköinen vastus johtaa liialliseen ylikuumenemiseen.

Pitkäaikainen haaste on ollut, että lähes kaikki tunnetut superjohtavat materiaalit ovat saatavilla vain äärimmäisen alhaisissa lämpötiloissa, usein noin 4°K (vain 4 astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolella).

Tämä tekee superjohtavuudesta käyttökelpoista vain nestekaasun, nestemäisen helium, kanssa, jonka valmistus on erittäin energiaintensiivistä.

Pitkään grafiini, kahdenulotteinen hiilen monikerros, on pidetty lupaavana ehdokkaana käytännöllisempään superjohtavuuteen.

Kuitenkin näyttää siltä, että se, mikä tekee grafiinista lupaavan, voitaisiin laajentaa muihin materiaaleihin, kuten volframiin, avaten haun uudelle superjohtavalle materiaalille. Tämä löytö on Columbia Universityn, Tennessee-yliopiston ja Japanin National Institute for Materials Science -tutkijoiden työn tulos. He julkaisevat tuloksensa arvostetussa Nature-lehdessä¹ otsikolla “Superjohtavuus 5.0° kierretyssä kaksikerroksessa WSe2”.

Superjohtavuuden lupaukset

Halvemmat ja korkeampilämpötilaisia superjohtavia materiaaleja muuttaisivat täysin teknologian mahdolliset sovellukset. Tämä mahdollistaisi jäähdytysmenetelmät, kuten nestemäisen typen, tai jopa pelkän mRNA-rokotteita säilyttävien pakastimien jäähdytysteknologian, korvaamaan energiaintensiivisemmät vaihtoehdot.

Korkeampilämpötilaiset superjohtimet mahdollistaisivat muun muassa seuraavat asiat:

• Parempi MRI, korkeammalla tarkkuudella ja edullisempana rakentaa ja käyttää, mahdollistaa sen tulevan paljon tavallisemmaksi lääketieteelliseksi tutkimukseksi.
• Elektromagneettiset työntövoimalaitteet (myös kutsutaan magnetohydrodynaaminen (MHD) ajureita) propulsoi aluksia sähköistämällä merivettä.
• Tehokkaammat ja energiatehokkaammat sähkömoottorit.
• Korkeamman tiheyden ja turvallisemmat akut, joissa käytetään Superjohtavaa magneettista energian varastointia (SMES).
• Superjohtavat rajoittimet, kytkimet ja sulakkeet parantamaan sähköverkon infrastruktuuria.
• Pitkän matkan energiansiirto ilman häviöitä, mikä voisi lisätä uusiutuvan energian tehokkuutta, esimerkiksi aurinkopaneelit, jotka pysyvät auringossa ja tuottavat sähköä kaupunkiin tuhansien kilometrien päässä.
• Halvemmat ja helpommin ylläpidettävät maglev-junat tai myöhemmin Hyperloop-järjestelmät.
• Anturit/magneettimittarit (Superjohtavat kvantti-interferenssilaitteet – SQUIDS) teollisissa sovelluksissa.
• Superjohtava kvanttilaskenta
  • (voit lukea lisää kvanttilaskennan edistymisestä artikkelissamme “Kvanttilaskennan nykytila”).
• Puolustus- ja avaruusteollisuuden sovellukset, mukaan lukien säteilysuojat, elektromagneettiset laukaisut, magneettikyljekset, anturit, rautalähetin, kelilaukaisimet, laserit ja muut energiasodat.

On olemassa mahdollisuus että korkean lämpötilan superjohtavuus voidaan saavuttaa kuparilla korvatulla lyijyapatiitilla (CSLA), mutta tätä väitettä kiistellään edelleen kiihkeästi alansa tutkijoiden keskuudessa, muutama vuosi myöhemmin.

Grafiinin superjohtavuus

Vaikka grafiini on poikkeuksellisen tehokas sähkönjohtaja yksinkertaisessa kerroksessa, se voi muuttua superjohtavaksi, kun se on muotoiltu “kierretyksi kaksikerrokseksi”. Tämä tapahtuu, kun kaksi kerrosta ovat hieman epätasapainossa, 1,1° kulman erolla, joka näyttää olevan grafiinille taikakulma.

Marraskuussa 2024 todettiin, että tällainen kaksikerros voi pysyä superjohtavana jopa 60°K (-213 °C / -351 °F).

Vuodesta 2020 lähtien on epäilty, että toinen materiaali näyttää saman ominaisuuden: volframi-selenium (WSe₂).

Lähde: Max Planck Institute

Volframi-seleniumin superjohtavuus

Tähän mennessä superjohtavuuteen liittyviä ilmiöitä on havaittu monissa niin sanotun siirtymämetallidikalkogenien (TMD) luokkaan kuuluvissa materiaaleissa.

Uusi tutkimus vahvistaa kuitenkin selvästi superjohtavuuden 5,0° (kerrosten välinen kulmaero, ei lämpötila) kierretyssä kaksikerroksessa WSe2.

Tämä oli erityisen voimakas alhaisissa lämpötiloissa tässä kokeessa (426 millikelviniä), mutta se osoittaa silti, että kaksikerroksinen superjohtavuus voidaan toteuttaa myös muilla kerrostetuilla materiaaleilla kuin grafiini.

Kierretty kaksikerros WSe2 näytti myös terävän rajan superjohtavan ja magneettisen vaiheen välillä alhaisissa lämpötiloissa, mikä voisi selittää taustalla olevat mekanismit, jotka selittävät sen superjohtavuuden.

Parempi kuin grafiini?

Jos TMD-materiaalit voivat olla superjohtavia, ne saattavat itse asiassa olla parempia kuin grafiini.

Syynä on se, että TMD-materiaalit osoittavat myös monia muita toivottuja ominaisuuksia, joita grafiinissa ei ole, kuten oma energiaväli, suuri spin-orbitaalikytkentä, spin-laakso lukitus ja magnetismi.

Tässä mielessä tämä vaikuttaa samankaltaiselta toisen tyyppisten kehittyneiden meta-materiaalien kanssa, kagome-materiaalit, jotka myös osoittavat superjohtavuutta yhdessä magnetismin kanssa, kun taas nämä kaksi ilmiötä eivät yleensä tapahdu samanaikaisesti.

Kaiken kaikkiaan vaikuttaa siltä, että superjohtavuuden ala tekee erittäin nopeaa edistystä ja hylkää aiemmat oletukset siitä, mikä on mahdollista ja mikä ei.

Volframiyritys

Jos volframin kaksikerrokset osoittautuvat superjohtaviksi, tämä olisi tärkeä lisäsovellus erittäin kovalle metallille, jota käytetään jo monissa sotilas sovelluksissa, puolijohdeteollisuudessa ja kehittyvässä valmistuksessa.

Käsittelimme volframin investointitapauksen yksityiskohtaisesti lokakuussa 2024 julkaistussa raportissa “Volframi – Salainen korkean teknologian metalli”.

Siitä lähtien Kiina on ilmoittanut rajoituksia volframin viennille, metallille, jonka 80 % tuotetaan Kiinassa. Tämä jättää hyvin vähän yrityksiä, jotka pystyvät toimittamaan länsimaisille teollisuudenaloille itsenäisesti Kiinan toimitusketjusta.

Almonty Industries

Almonty on volframin kaivostaja, joka tuottaa tällä hetkellä enimmäkseen Portugalissa sijaitsevasta kaivoksesta, joka on ollut toiminnassa viimeiset 125 vuotta.

Yritys on työskennellyt Portugalin kaivoksen laajentamisen parissa ja omistaa kehittymättömiä malmiesiintymiä Espanjassa.

Lähde: Almonty

Yrityksen tärkein projekti on käynnissä oleva uuden kaivoksen kehittäminen Sangdongissa, Etelä-Koreassa. Kaivoksessa on enemmän arvioituja resursseja kuin kaikissa muissa sen malmiesiintymissä yhteensä.

Lähde: Almonty

Yhtenä harvoista aktiivisista ja tuottavista volframin kaivostajista länsimaissa, Almonty on keskeinen strateginen toimittaja puolustusteollisuudelle. Siksi se on tärkeä yritys Kiinan toimitusriippuvuuden vähentämiseksi.

Sangdongin kaivoksen sijainti tekee siitä täydellisen toimittajan puolustusteollisuudelle, sillä Etelä-Korea on uusi jättiläinen massatuotannossa “matala-teknologia” -sotilasvarusteita, kuten tankkeja, tykistöä ja ammuksia (verrattuna vähemmän volframia vaativiin hävittäjiin, lentotukialuksiin jne.).

Kun Kiina valmistautuu avaamaan valtavan volframi-kaivoksen Kazakstanissa, Almonty on valmis “muuttamaan merkittävästi politiikkaa, joka liittyy volframin varmistamiseen”, kun Almonty Korea Tungsten Projectin Sangdong-kaivos käynnistyy muutaman kuukauden sisällä. Kun se aloittaa tuotannon, se on yksi maailman suurimmista volframi-kaivoksista, kattaen 30 % ei-kiinalaisesta tarjonnasta.

Lewis Black, johtaja, presidentti ja toimitusjohtaja Almonty Industries (ALM )

Almontyn tulisi aloittaa volframin tuotanto korealaisesta kaivoksesta vuoden 2025 alkupuoliskolla.

Strategisen asemansa vuoksi, joka tekee siitä käytännössä ainoan suuren toimittajan lännessä, Almontylle tarjottiin takattu hinta Plansee -yritykseltä. Plansee on korkean suorituskyvyn metallivalmistaja ja yksi Almontyn suurimmista asiakkaista, sekä yrityksen 15 % omistaja.

Vähimmäistakattu hinta oli 235 $/MTU (metriikkatonnin yksikkö), ilman ylärajaa. Kun Sangdong-kaivoksen tavoitteena on kassakustannukset 110 $/MTU, tämän pitäisi käytännössä varmistaa korkea voitto marginaali projektille.

Onneksi lähes täydellinen ajoitus Sangdongin tulevan avauksen ja uuden kauppasodan välillä Trumpin Yhdysvaltojen ja Kiinan välillä on saanut osakekurssin reagoimaan voimakkaasti ja noussut 40 % vain kahden päivän aikana Kiinan volframin vientirajoituksen ilmoituksen jälkeen.

Tutkimusviite:

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