Bilayer-nickelaten: Een nieuwe klasse van hogetemperatuursupergeleiders

Beperkingen van supergeleiding

Elektriciteit is een van de meest transformerende technologieën in de geschiedenis geweest, waardoor een zeer nuttige vorm van energie over lange afstanden kan worden getransporteerd. Maar elk ‘normaal’ elektrisch systeem ondervindt elektrische weerstand, wat leidt tot warmteproductie wanneer er een elektrische stroom wordt aangelegd.

Er bestaat een alternatief: de zogenaamde supergeleidend materialen. Supergeleidend materialen hebben een elektrische weerstand van nul, waardoor extreem krachtige stromen kunnen worden gebruikt zonder warmte te genereren.

Zonder supergeleiding zou veel moderne technologie niet mogelijk zijn, waaronder deeltjesversnellers (bijvoorbeeld de CERN), MRI en maglevtreinen.

Supergeleiding zal een cruciaal onderdeel zijn van de meest veelbelovende megaprojecten en technologische innovaties, zoals ITER en kernfusie, massadrivers, quantumcomputers, enz.

Elektriciteitsleidingen zonder verlies zouden ook cruciaal kunnen zijn bij het ontwikkelen van ultralange netverbindingen die helpen de productie van hernieuwbare energie te bufferen over weersomstandigheden en tijdzones, waardoor enkele beperkingen van zonne- en windenergie worden opgelost.

Bron: XOT Metals

Echter, supergeleiding is tot nu toe alleen onder de knie gekregen voor materialen die het vertonen bij ultralage temperaturen, slechts enkele graden boven het absolute nulpunt. Of bij extreem hoge druk.

Dit maakt het niet alleen te complex voor alle behalve de meest veeleisende toepassingen (maglev, MRI, enz.), maar ook zeer kostbaar, waardoor het onrendabel is voor veel toepassingen die zouden kunnen profiteren van supergeleidend materiaal of grootschalig gebruik.

Veel paden naar supergeleiding

Het lijkt er nu op dat het materiaal dat onder hoge druk is geproduceerd, een deel van zijn supergeleiding kan behouden bij lagere druk, via een experimentele methode genaamd pressure‑quench protocol (PQP).

Onlangs leek de gedraaide bilayer van WSe₂ (tungstenselenium) ook een goede materiaal kandidaat te zijn voor supergeleiders met hogere temperaturen.

Dus na jaren van trage vooruitgang lijkt het erop dat natuurkundigen geheel nieuwe manieren beginnen te ontdekken om supergeleidend materiaal te creëren. En er is nu een nieuwe toegevoegd aan de lijst, met een nieuwe familie van supergeleiders die nikkel bevatten.

Chinese onderzoekers van de Southern University of Science and Technology in Shenzhen en de Tsinghua Universiteit hebben ontdekt dat bilayer-nickelaat supergeleiders elektriciteit geleiden zonder weerstand, ver boven het absolute nulpunt en bij atmosferische druk.

Ze publiceerden hun resultaten in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Nature, onder de titel “Ambient-pressure superconductivity onset above 40 K in (La,Pr)3Ni2O7 films”.

Niet‑te‑koude supergeleiders

Hogetemperatuursupergeleiding zou op een dag een optie kunnen worden, met name met het raadselachtige geval van LK-99 (een vorm van kopervervangen loodapatiet – CSLA), een nieuw type supergeleider bij atmosferische druk en kamertemperatuur.

De bewering werd onmiddellijk betwist en bekritiseerd als een hoax of meetfout, maar vervolgens ontdekten andere onderzoekers dat er toch iets aan de hand kon zijn.

Maar dit is niet de enige klasse supergeleiders die bij warmere temperaturen kunnen werken.

Onlangs is ontdekt dat twee groepen keramiek (kopergebaseerde cupraten en ijzergebaseerde pnikkeldelen) functioneren als onconventionele supergeleiders die bij atmosferische druk en temperaturen tot 150 K (–123 °C / -189 °F) werken.

Bron: Materials Today

Nu lijkt het erop dat nickelaten zich bij deze keramieken voegen om een materiaal te creëren dat als supergeleider bij hogere temperaturen werkt.

Hoewel niet zo warm, is het veel gemakkelijker een temperatuur te bereiken dan met huidige supergeleiders. Bijvoorbeeld, de supergeleidend magneten van ITER moeten worden gekoeld tot dicht bij het absolute nulpunt met vloeibaar helium, een zeer energie‑intensieve en dure procedure.

Over het algemeen duidt dit erop dat supergeleiders op middellange termijn veel vaker zullen voorkomen, aangezien er veel meer vormen van worden ontdekt en geëxperimenteerd.

Supergeleidend nickelaten

Nickelate werd in 2019 ontdekt als potentieel supergeleidend door Danfeng Li, een natuurkundige aan de City University of Hong Kong, en zijn collega. In 2023 toonde een ander team de supergeleiding van nickelaten bij hogere temperaturen, maar onder hoge druk.

Bron: Nature

Maar in december 2024 werden nickelaten voor het eerst gedetecteerd die bij een kritische temperatuur de weerstand verloren en magnetische velden afstoten, beide sterke aanwijzingen voor supergeleiding.

Om dit resultaat te bereiken, werden enkelkristallijne films van La2.85Pr0.15Ni2O7 (lanthaan‑praseodymium‑nikkel) gekweekt met een techniek genaamd gigantic‑oxidative atomic‑layer‑by‑layer epitaxy (GOALL‑Epitaxy). Deze techniek werd ontwikkeld door hetzelfde onderzoeksteam en biedt meerdere orders van grootte sterkere oxidatie en precisie bij het produceren van materiaal lagen op atomair niveau.

Bron: Research Gate

Geavanceerde analytische methoden werden gebruikt om de nikkel‑gebaseerde verbinding te bestuderen, waaronder Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) beelden en X‑ray reciprocal space mappings (RSM’s).

Ze onthulden het verschijnen van een tetragonale fase in de nikkeloxide‑laag, die mogelijk verantwoordelijk is voor de vrije stroom van elektronen onder de juiste omstandigheden.

Verbeteren van supergeleidend materiaal

De methode die als voorlopige test werd gebruikt om de eigenschappen van nickelaten te verbeteren, kan verder worden geoptimaliseerd. Dit zou moeten leiden tot meerdere tests om de temperatuur van deze supergeleiders verder te verhogen.

“Er is een enorme hoop dat we uiteindelijk de kritische temperatuur kunnen verhogen en dergelijke materialen bruikbaarder kunnen maken voor toepassingen.”
Danfeng Li – natuurkundige aan de City University of Hong Kong.

De analyse geeft aan dat het proces dat nickelaten supergeleiding geeft vergelijkbaar is met dat van de cupraten (gemaakt van koper).

”Het verhogen hiervan is een prioriteit. Het team probeert verschillende trucjes om de groei van het materiaal en de precieze samenstelling aan te passen.”
Zhuoyu Chen – natuurkundige aan SUSTech

Experimenten vóór theorie

Het moet worden opgemerkt dat de recente resultaten met betrekking tot supergeleiders met hogere temperaturen, of zelfs potentiële supergeleiders bij kamertemperatuur, de theoretische fysica in het veld voorlopen.

Dus waarom het werkt blijft nog een mysterie. Er is nog geen volledige verklaring waarom deze materialen supergeleiders zijn, en nog minder een voorspellende methode om te bepalen welk materiaal deze eigenschappen kan vertonen.

Tot nu toe heeft de noodzaak van hoge druk of hyper‑koude omstandigheden de studie van deze materialen ernstig belemmerd, omdat het moeilijk was iets te testen wanneer supergeleiding alleen optreedt in een diamanten aambeeld of vloeibaar helium.

Makkelijker te handhaven omstandigheden zouden de wetenschappers veel meer speelruimte moeten geven om deze materialen te bestuderen en te modificeren.

Dit laat dus veel ruimte voor verbetering, en een beter begrip van deze materialen, inclusief met behulp van AI, zou moeten helpen om verder te komen.

Het zou ook meer onderzoekers in het veld moeten aantrekken en meer bedrijven die R&D‑budgetten in deze projecten steken, waardoor de voortgang wordt versneld.

Toekomstige toepassingen

Hogetemperatuursupergeleiders zouden een onmiddellijk wondermateriaal zijn als ze voldoende begrepen worden voor grootschalige productie.

Het eerste directe effect zou zijn dat de kosten van apparatuur die al gebruik maakt van supergeleiding, zoals MRI, maglevtreinen, geavanceerde turbines en generatoren, deeltjesversnellers, experimentele fusie‑reactoren, enz., dalen.

Het zou ook technologie mogelijk maken die tot nu toe nooit kon worden gerealiseerd of die onbetaalbaar was vanwege de technische beperkingen van supergeleiders bij lage temperaturen.

Dit omvat hyperloop treinen, massadrivers om de baan te bereiken, commerciële kernfusie, intercontinentale netverbindingen, enz. Elk van deze technologieën zou de koers van de menselijke beschaving voorgoed veranderen.

Leiders in supergeleidingsoplossingen

AMSC is een bedrijf dat energieoplossingen biedt voor het elektriciteitsnet, schepen en windenergie. Over het algemeen geldt: hoe energie‑intensiever of massiever een systeem, hoe meer het supergeleidingstechnologie nodig heeft om oververhitting te voorkomen.

Ondanks de naam levert ASMC niet alleen supergeleidersystemen, maar ook, bijvoorbeeld, tandwielaandrijvingen voor windturbines.

Het bedrijf profiteert van meerdere groeifactoren, van de trend van elektrificatie en digitalisering (inclusief AI‑datacenters), maar ook van de terugverplaatsing van Amerikaanse productiecapaciteiten en de behoefte van de marine van de Anglosfeer om te moderniseren als reactie op groeiende geopolitieke risico’s.

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

In het segment stroomvoorziening heeft AMSC een gestage stijging in orders gezien. Dit werd gedreven door halfgeleiderfabrieken die beschermd willen worden tegen schommelingen in het elektriciteitsnet, die het net helpen omgaan met de intermitterende aard van hernieuwbare energie, en stroomvoorziening & besturingen op industriële locaties.

Bron: American Superconductor Corporation

In het windturbine‑segment is AMSC voornamelijk actief met Electrical Control System (ECS). Historisch gezien was ESC een sterk segment voor het bedrijf met de 2 MW windturbines, maar het is geleidelijk afgenomen. AMSC streeft naar een herstel dankzij het nieuwe 3 MW turbine‑ontwerp, met een speciale focus op de Indiase markt.

Bron: American Superconductor Corporation

Voor militaire schepen levert ASMC de “AMSC’s High Temperature Superconductor Magnetic Mine Countermeasure”, een systeem om de magnetische handtekening van de schepen te wijzigen om hen te beschermen tegen zeemijnen. Dit wordt verkocht aan de marines van de VS, Canada en het VK, met orders ter waarde van $75 M tot nu toe.

Over het algemeen presteert ASMC het best door supergeleidingstechnologie te benutten in niche‑toepassingen die vandaag de dag levensvatbaar zijn, terwijl het waarschijnlijk klaar is om verdere vooruitgang in de toekomst te implementeren. Beleggers moeten ook opmerken dat het aandeel in het verleden extreme volatiliteit heeft gekend, en de risico’s dienovereenkomstig berekenen.

Laatste nieuws over American Superconductor Corporation

Studieverwijzing:

^{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}