Superconduttività nel bilayer torcente di WSe₂: un nuovo rivale del grafene?

Un nuovo materiale superconduttivo

La superconduttività è un fenomeno che, se padroneggiato su larga scala e a basso costo, rivoluzionerebbe la civiltà umana. Questo perché, per la maggior parte delle applicazioni ad alta tecnologia, i livelli di potenza o campo magnetico richiesti possono essere gestiti solo da materiali superconduttori, e qualsiasi resistenza elettrica porta a un surriscaldamento eccessivo.

Un problema di lungo periodo è stato che quasi tutti i materiali superconduttori conosciuti sono disponibili solo a temperature estremamente basse, spesso intorno a 4 K (solo 4 gradi sopra lo zero assoluto).

Ciò rende la superconduttività praticabile solo in combinazione con l’elio liquido, un fluido refrigerante molto difficile da produrre mediante un processo ad alta intensità energetica.

Per molto tempo, il grafene, un monostrato 2D di carbonio, è stato considerato un buon candidato per una superconduttività più pratica.

Tuttavia, sembra che ciò che rende promettente il grafene possa essere esteso ad altri materiali come il tungsteno, aprendo la ricerca di un nuovo materiale superconduttivo. Questa scoperta è il risultato del lavoro di ricercatori della Columbia University, dell’University of Tennessee e del National Institute for Materials Science (Giappone). Hanno pubblicato i loro risultati sulla prestigiosa Nature¹ con il titolo “Superconductivity in 5.0° twisted bilayer WSe2”.

Le promesse della superconduttività

Materiali superconduttori più economici e a temperature più elevate cambierebbero completamente le possibili applicazioni della tecnologia. Questo permetterebbe l’uso di metodi di raffreddamento come l’azoto liquido, o anche solo la tecnologia di raffreddamento usata nei congelatori per i vaccini mRNA, per sostituire l’alternativa più energivora.

• Migliori risonanze magnetiche, con risoluzione più alta e costi di costruzione e gestione inferiori, consentono di diventare un esame medico molto più di routine.
• Sistemi di propulsione a spinta elettromagnetica (noti anche come magnetoidrodinamici (MHD) drives) spingono le navi attraverso l’elettrificazione dell’acqua di mare.
• Motori elettrici più potenti ed efficienti motori elettrici.
• Batterie ad alta densità e più sicure con Stoccaggio di energia magnetica superconduttiva (SMES).
• Limitatori, interruttori e fusibili superconduttivi per migliorare l’infrastruttura della rete elettrica.
• Trasmissione di energia a lunga distanza senza perdite, che potrebbe aumentare l’efficienza delle energie rinnovabili, ad esempio con pannelli solari ancora al sole che alimentano una città a migliaia di chilometri di distanza.
• Treni maglev più economici e facili da mantenere treni maglev o, in futuro, sistemi Hyperloop.
• Sensori/magnetometri (Dispositivi di interferenza quantistica superconduttiva – SQUIDS) per applicazioni in ambito industriale.
• Computazione quantistica superconduttiva
  • (puoi leggere di più sui progressi della computazione quantistica nel nostro articolo “The Current State of Quantum Computing”).
• Applicazioni difesa e aerospaziali, inclusi scudi radiativi, lanci elettromagnetici, cuscinetti magnetici, sensori, railgun, coil gun, laser e altre armi energetiche.

Esiste la possibilità che la superconduttività ad alta temperatura possa essere raggiunta con apatite di piombo sostituita al rame (CSLA), ma questa affermazione è ancora oggetto di accesi dibattiti tra gli scienziati specializzati in questo campo, a pochi anni di distanza.

Superconduttività del grafene

Mentre il grafene è un conduttore di elettricità straordinariamente efficiente quando è in un semplice strato, può diventare un superconduttore quando è modellato come un “bilayer torcente”. Ciò avviene quando i due strati sono leggermente disallineati, con una differenza di 1,1°, apparentemente l’angolo magico per il grafene.

Nel novembre 2024, è stato dimostrato matematicamente che tale bilayer può rimanere superconduttivo a temperature fino a 60°K (-213 °C / -351 °F).

Dal 2020, un altro materiale è stato sospettato di mostrare una caratteristica simile: tungsteno-selenio (WSe₂).

Fonte: Max Planck Institute

Superconduttività del tungsteno selenio

Finora, fenomeni correlati alla superconduttività erano stati rilevati in molti materiali appartenenti alla cosiddetta classe dei dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD).

Tuttavia, la nuova ricerca conferma definitivamente la superconduttività nel bilayer torcente di WSe2 a 5,0° (angolo di differenza tra gli strati, non temperatura).

Questo è stato particolarmente forte a basse temperature in questo esperimento (426 millikelvin), ma dimostra comunque che la superconduttività del bilayer può essere realizzata da altri materiali stratificati oltre al grafene.

Il bilayer torcente di WSe2 ha inoltre mostrato un confine netto tra le fasi superconduttiva e magnetica a basse temperature, il che potrebbe spiegare i meccanismi alla base del motivo per cui è superconduttivo.

Meglio del grafene?

Se i materiali TMD possono essere superconduttori, potrebbero effettivamente essere superiori al grafene.

Il motivo è che i materiali TMD mostrano anche molte altre qualità desiderabili assenti nel grafene, come una banda proibita nativa, un forte accoppiamento spin-orbita, blocco spin-valle e magnetismo.

In tal senso, ciò sembra simile a un altro tipo di meta-materiali avanzati, materiali kagome, che mostrano anche superconduttività insieme al magnetismo, mentre solitamente questi sono due fenomeni che non si verificano contemporaneamente.

Nel complesso, sembra che il campo della superconduttività stia facendo rapidi progressi e stia superando le precedenti assunzioni della disciplina su ciò che è possibile e ciò che non lo è.

Azienda del tungsteno

Se i bilayer di tungsteno si dimostrassero superconduttivi, questo rappresenterebbe un importante caso d’uso aggiuntivo per il metallo ultra-duro, già impiegato in numerose applicazioni militari, nell’industria dei semiconduttori e nella produzione avanzata.

Abbiamo trattato in dettaglio il caso di investimento per il tungsteno nel rapporto di ottobre 2024 “Tungsten – The Secret High-Tech Metal”.

Da allora, la Cina ha annunciato restrizioni sull’esportazione del tungsteno, un metallo il cui 80% è prodotto dalla Cina. Ciò lascia pochissime aziende in grado di fornire le industrie occidentali, indipendentemente dalla catena di approvvigionamento cinese.

Almonty Industries

Almonty è un’azienda mineraria di tungsteno che attualmente produce principalmente da una miniera in Portogallo, in attività da 125 anni.

L’azienda sta lavorando all’espansione della miniera portoghese e possiede depositi non sviluppati in Spagna.

Fonte: Almonty

Il progetto più importante dell’azienda è lo sviluppo in corso di una nuova miniera a Sangdong, Corea del Sud. La miniera contiene più risorse inferite rispetto a tutti gli altri suoi depositi combinati.

Fonte: Almonty

Essendo uno dei pochi mineratori di tungsteno attivi e produttivi nei paesi occidentali, Almonty è un fornitore strategico chiave per l’industria della difesa. Pertanto è un’azienda importante per ridurre la dipendenza dalle forniture cinesi.

La posizione della miniera di Sangdong la rende un fornitore perfetto per l’industria della difesa, con la Corea del Sud un nuovo gigante nella produzione di massa di equipaggiamento militare “low tech” come carri armati, artiglieria e munizioni (rispetto a velivoli da combattimento, portaerei, ecc., che richiedono meno tungsteno).

Mentre la Cina si prepara ad aprire una enorme miniera di tungsteno in Kazakistan, Almonty è pronta a “spostare sostanzialmente la politica legata alla sicurezza del tungsteno” quando la miniera Sangdong del progetto Almonty Korea Tungsten entrerà in funzione entro pochi mesi. Quando inizierà la produzione, sarà una delle più grandi miniere di tungsteno al mondo, rappresentando il 30 % dell’offerta non cinese.

Lewis Black, direttore, presidente e CEO di Almonty Industries

Almonty dovrebbe iniziare a produrre tungsteno dalla miniera coreana all’inizio o a metà del 2025.

Grazie alla sua posizione strategica come praticamente l’unico grande fornitore in Occidente, ad Almonty è stato offerto un prezzo garantito da Plansee. Plansee è un produttore di metalli ad alte prestazioni e uno dei maggiori clienti di Almonty, nonché proprietario del 15 % dell’azienda.

Il prezzo minimo garantito era di 235 $/MTU (unità di tonnellata metrica), senza soglia superiore. Poiché la miniera di Sangdong punta a costi di cassa di 110 $/MTU, ciò dovrebbe garantire virtualmente un’alta marginalità di profitto per il progetto.

Con una tempistica quasi perfetta tra l’imminente apertura di Sangdong e una nuova guerra commerciale tra l’America di Trump e la Cina, il prezzo delle azioni ha reagito fortemente e è aumentato del 40 % in soli 2 giorni dopo l’annuncio della restrizione all’esportazione del tungsteno dalla Cina.

Riferimento allo studio:

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