NUS ontdekt kopervrij materiaal met hogetemperatuursupergeleiding

Het potentieel van supergeleiding

Electriciteit is een van de belangrijkste technologieën die de mensheid ooit heeft uitgevonden. In de gebruikelijke vorm gaat het altijd gepaard met een zekere elektrische weerstand, waardoor er warmte ontstaat wanneer er een elektrische stroom circuleert.
Dit kan ernstige beperkingen opleggen aan toepassingen die een te krachtige stroom of magnetische velden vereisen, omdat het elektrische systeem dan simpelweg zou kunnen smelten.

Een alternatief is supergeleiding, een fenomeen waarbij de elektrische weerstand tot nul daalt. Echter, gedurende een zeer lange periode kon dit alleen worden waargenomen bij ultralage temperaturen, dicht bij het absolute nulpunt (0 K), of ongeveer -273 °C/-387 °F.

Dit veranderde met een ontdekking die in 1987 de Nobelprijs voor Natuurkunde kreeg: hogetemperatuursupergeleiders gemaakt van koperoxiden.

Zonder supergeleiding zou veel moderne technologie niet mogelijk zijn, waaronder deeltjesversnellers (bijvoorbeeld het CERN), MRI‑machines en maglev‑treinen.

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

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

Bron: XOT Metals

Hogetemperatuurs Supergeleiding

Voor nu maakt de eis van lage temperatuur supergeleiding economisch alleen haalbaar voor high‑end toepassingen: maglev, MRI, enzovoort.

En hoewel wetenschappelijk interessant, is supergeleiding onder hoge druk relatief nutteloos voor praktische toepassingen.

Bestaat er recentelijk veel vooruitgang in het supergeleidingsveld die de situatie zou kunnen veranderen:

• Het lijkt nu 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).
• Twisted bilayer van WSe₂ (wolfraam‑selenium) lijkt ook een goede materiaalkandidaat voor hogetemperatuursupergeleiders.
• Een andere nieuwe klasse potentiële supergeleiders, bilayer‑nickelaten, zou dit jaar ook aan de lijst kunnen zijn toegevoegd.
• Vervolgens verscheen het raadselachtige geval van LK‑99 (een vorm van koper‑vervangen lood‑apatiet – CSLA), mogelijk een nieuw type supergeleider bij kamertemperatuur en omgevingsdruk.
  • De claim werd onmiddellijk betwist en bekritiseerd als een hoax of meetfout, maar ontdekten later andere onderzoekers dat er toch iets aan de hand kon zijn.

Ondanks deze nieuwe ontdekkingen is supergeleiding grotendeels een slecht begrepen fenomeen, met veel giswerk om nieuwe materialen met die eigenschap te vinden. Er is dus een beter theoretisch kader nodig.

Een deel van de puzzel werd in maart 2025 gevonden, met een beter begrip van de mogelijke hogere kritische temperaturen voor supergeleiding (Tc).

Een ander is de creatie door onderzoekers van de National University of Singapore van een nieuw theoretisch model dat al heeft geleid tot de ontdekking van een koper‑vrij supergeleidend materiaal. Deze prestatie werd recentelijk aangekondigd in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Nature¹, onder de titel “Bulk superconductivity near 40 K in hole‑doped SmNiO₂ at ambient pressure”.

Nieuw supergeleidingsmodel

Uitleg van supergeleiding

De onderzoekers werkten aan de ontwikkeling van een nieuw theoretisch model dat uitlegt hoe supergeleiding werkt. Dit is een complex onderwerp, dat eenvoudiger kan worden samengevat met een paar kernconcepten:

Cooper‑paren, of twee elektronen die via een kwantumeffect aan elkaar gebonden zijn, vormen een sleutelelement om een materiaal supergeleidend te maken.

Het is de condensatie van Cooper‑paren die supergeleiding creëert, althans volgens de onderzoekers die supergeleiding voor het eerst verklaarden (de Bardeen–Cooper–Schrieffer‑theorie, of BCS‑theorie), en waarvoor de Nobelprijs voor Natuurkunde van 1972 werd toegekend.

Het zijn fononen, of de trillingen op kwantumniveau van het materiaallattice, die de koppeling van elektronen in Cooper‑paren aandrijven. Wanneer er voldoende Cooper‑paren gevormd zijn, kunnen elektronen zich door het materiaal bewegen zonder botsingen, waardoor elektrische weerstand wordt geëlimineerd.

Bron: Fiveable

Voorspellen en produceren van nieuwe supergeleiders

Het nieuwe model dat de vorming van Cooper‑paren voorspelt, helpt de onderzoeker om vele potentiële supergeleiders te voorspellen, inclusief vele die geen koperatomen bevatten.

Ze syntheseerden vervolgens een van de voorspelde materialen: samarium‑europium‑calcium‑nickel‑oxide (Sm‑Eu‑Ca)NiO₂.

“Zoals we voorspelden en ontwierpen, toont dit niet‑koper‑gebaseerde supergeleidend oxide hogetemperatuursupergeleiding onder atmosferische druk op zeeniveau, zonder de noodzaak van extra compressie—net als koperoxiden.

Deze bevinding suggereert dat onconventionele hogetemperatuursupergeleiding niet exclusief is voor koper, maar een meer wijdverspreide eigenschap kan zijn onder elementen in het periodiek systeem.”

Dr. Stephen Lin Er Chow – Onderzoeker aan de National University of Singapore

Ze bevestigden ook nul elektrische weerstand (supergeleiding) ruim boven 30 K in deze verbinding. Dit is niet alleen een nieuw materiaal om mee te experimenteren, maar een bewijs dat het gebruikte model voorspellende waarde heeft, wat waarschijnlijk betekent dat andere voorspelde supergeleiders ook kunnen werken. Dit is de eerste ontdekking van zo’n hogetemperatuursupergeleider sinds de jaren 1990.

Bron: National University of Singapore

Zhaoyang Luo, een PhD‑student aan de National University of Singapore, toonde de hoge kristalliniteit en zuivere fase van het gesynthetiseerde materiaal aan met behulp van elektronenmicroscopie. Dit maakt het nieuwe materiaal zeer stabiel, waardoor het een goede kandidaat is voor potentiële toekomstige industriële toepassingen.

“Dit is de eerste keer sinds de Nobel‑prijswinnende ontdekking dat een koper‑vrij hogetemperatuursupergeleidend oxide onder omgevingsdruk functioneert.

Bovendien is dit nieuwe materiaal zeer stabiel onder omgevingscondities, wat de toegankelijkheid aanzienlijk verbetert.”

Prof. Ariando – Professor aan de National University of Singapore

De productiemethode van het nieuwe materiaal is bovendien behoorlijk robuust, zonder dat er structurele defecten optreden, wat het potentieel voor praktische toepassingen verder vergroot.

Toepassingen en toekomstige ontwikkeling

Nu ze een steviger theoretisch kader hebben, kunnen de onderzoekers proberen enkele specifieke parameters van de supergeleidende materialen fijn af te stemmen. Met name noemen ze atomische en moleculaire kenmerken zoals elektronische bezettingsverschuivingen en hydrostatische druk.

Dit zou de weg kunnen openen naar geheel nieuwe soorten supergeleiders of misschien zelfs een nieuwe familie supergeleiders met nog hogere bedrijfstemperaturen.

Elke hogetemperatuursupergeleider die op schaal kan worden geproduceerd, zou twee belangrijke effecten kunnen hebben:

• De kosten van technologieën die momenteel supergeleiders gebruiken drastisch verlagen, waardoor hun gebruik wordt gedemocratiseerd, vooral bij maglev‑treinen en MRI‑apparaten.
• Nieuwe toepassingsgebieden openen, vooral als de Tc‑temperatuur hoog genoeg is om vloeibare stikstof (-196 °C / -320 °F) te evenaren, een veel goedkopere en gemakkelijker te produceren koelvloeistof dan de momenteel gebruikte voor supergeleidende materialen.
  • Deze nieuwe toepassingen kunnen onder meer stroomtransmissie, energieopslag, lasers, schepen, ruimte‑propulsie & toegang tot de baan (massadrivers), enzovoort omvatten.

Deze observatie heeft diepgaande implicaties voor zowel het theoretische begrip als de experimentele realisatie van een breder scala aan supergeleidende materialen met praktische toepassingen in de moderne elektronica,

Prof. Ariando – Professor aan de National University of Singapore

Leiders in supergeleidingsoplossingen

AMSC is een bedrijf dat energieoplossingen levert voor het elektriciteitsnet, schepen en windenergie. Over het algemeen geldt: hoe meer vermogen een systeem nodig heeft of hoe groter het is, hoe meer supergeleidingstechnologie nodig is om oververhitting te voorkomen.

Ondanks de naam levert ASMC niet alleen supergeleidersystemen, maar bijvoorbeeld ook tandwiel‑aandrijvingen voor windturbines.

Het bedrijf profiteert van meerdere groeifactoren, van de trend van elektrificatie en digitalisering (inclusief AI‑datacenters), maar ook van de terugkeer van productiecapaciteit in de VS en de noodzaak voor marines van de Anglosfeer om te moderniseren als reactie op toenemende geopolitieke risico’s.

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

In de segmenten voor stroomvoorziening heeft AMSC een gestage stijging in orders gezien. Dit werd gedreven door halfgeleiderfabrieken die beschermd willen worden tegen schommelingen in het net, door het helpen van het net om de intermitterende aard van hernieuwbare energie te beheren, en door stroom‑ en regeltechniek op industriële locaties.

In het segment voor windturbines is AMSC voornamelijk actief met het Electrical Control System (ECS). Historisch was ESC een sterk segment voor het bedrijf met de 2 MW windturbines, maar dit 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 schepen te wijzigen ter bescherming 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 geheel genomen presteert ASMC het best door supergeleidingstechnologie te benutten in niche‑toepassingen die vandaag de dag levensvatbaar zijn, terwijl het waarschijnlijk klaar staat om verdere vooruitgangen in de toekomst te implementeren. Beleggers moeten ook opmerken dat het aandeel in het verleden extreme volatiliteit heeft gekend, en zij moeten de risico’s dienovereenkomstig berekenen.

Laatste nieuws over American Superconductor Corporation

Gerefereerde studies:

^{1. Chow, S.L.E., Luo, Z. & Ariando, (2025) A. Bulk superconductivity near 40 K in hole-doped SmNiO2at ambient pressure. Nature. 20 maart 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08893-4}