Supergeleiding in gedraaide bilayer WSe₂: Een nieuwe concurrent van grafeen?

Een nieuw supergeleidend materiaal

Supergeleiding is een fenomeen dat, indien op grote schaal en tegen lage kosten onder de knie wordt gekregen, de menselijke beschaving zou revolutioneren. Dit komt doordat voor de meeste hightech-toepassingen de vereiste niveaus van vermogen of magnetisch veld alleen door supergeleidend materiaal kunnen worden verwerkt, waarbij elke elektrische weerstand leidt tot overmatige oververhitting.

Een langdurig probleem is dat bijna alle bekende supergeleidend materialen alleen beschikbaar zijn bij extreem lage temperaturen, vaak in de buurt van 4°K (slechts 4 graden boven het absolute nulpunt).

Dit maakt supergeleiding alleen haalbaar wanneer het wordt gecombineerd met vloeibaar helium, een koelvloeistof die zeer moeilijk te produceren is via een zeer energie‑intensief proces.

Al geruime tijd werd grafeen, een 2D‑monolaag van koolstof, beschouwd als een goede kandidaat voor meer praktische supergeleiding.

Het lijkt er echter op dat wat grafeen veelbelovend maakt, kan worden uitgebreid naar andere materialen zoals wolfraam, waardoor de zoektocht naar een nieuw supergeleidend materiaal wordt geopend. Deze ontdekking is het resultaat van het werk van onderzoekers aan de Columbia University, de University of Tennessee en het National Institute for Materials Science (Japan). Ze publiceerden hun resultaten in het prestigieuze Nature¹ onder de titel “Superconductivity in 5.0° twisted bilayer WSe2”.

De beloftes van supergeleiding

Goedkopere en hogere‑temperatuur supergeleidend materialen zouden de mogelijke toepassingen van de technologie volledig veranderen. Dit zou koelmethoden zoals vloeibaar stikstof, of zelfs alleen de koeltechniek die wordt gebruikt in vriezers voor het opslaan van mRNA‑vaccins, mogelijk maken als vervanging van de energie‑intensievere alternatieven.

Onder de dingen die hogere‑temperatuur supergeleiders mogelijk zouden maken, kunnen worden genoemd:

• Betere MRI, met hogere resolutie en goedkoper om te bouwen en te exploiteren, maakt het mogelijk dat het een veel meer routineonderzoek wordt.
• Elektromagnetische stuwkracht‑aandrijfsystemen (ook wel magnetohydrodynamische (MHD) aandrijvingen genoemd) stuwen schepen voort door zeewater te elektrificeren.
• Krachtigere en efficiëntere elektrische motoren.
• Hogere dichtheid en veiligere batterijen met Supergeleidend Magnetisch Energiesysteem (SMES).
• Supergeleidende begrenzers, schakelaars en zekeringen om de infrastructuur van het elektriciteitsnet te verbeteren.
• Langeafstandsstroomoverdracht zonder verliezen, wat de efficiëntie van hernieuwbare energie kan verhogen, bijvoorbeeld door zonnepanelen die nog in de zon staan een stad duizenden kilometers verder van stroom te voorzien.
• Goedkopere en gemakkelijker te onderhouden maglev‑treinen of later Hyperloop‑systemen.
• Sensoren/magnetometers (Supergeleidend Kwantum Interferentieapparaten – SQUIDS) voor toepassing in industriële omgevingen.
• Supergeleidend kwantumcomputeren
  • (u kunt meer lezen over de voortgang van kwantumcomputing in ons artikel “The Current State of Quantum Computing ”).
• Defensie‑ en ruimtevaarttoepassingen, inclusief stralingsschermen, elektromagnetische lanceringen, magnetische lagers, sensoren, railguns, spoelgeweren, lasers en andere energie‑wapens.

Er is een mogelijkheid dat hoge‑temperatuur supergeleiding kan worden bereikt met koper‑vervangen loodapatiet (CSLA), maar deze bewering wordt nog steeds hevig betwist door wetenschappers die gespecialiseerd zijn in dit veld, enkele jaren later.

Grafeen‑supergeleiding

Hoewel grafeen een opmerkelijk efficiënte elektrische geleider is wanneer het een eenvoudige laag vormt, kan het een supergeleider worden wanneer het wordt gevormd als een “gedraaide bilayer”. Dit gebeurt wanneer de twee lagen lichtelijk misaligned zijn, met een verschil van 1,1°, wat blijkbaar de magische hoek voor grafeen is.

In november 2024 werd wiskundig aangetoond dat zo’n bilayer supergeleidend kon blijven bij temperaturen tot 60°K (-213 °C / -351 °F).

Sinds 2020 wordt een ander materiaal verdacht van een vergelijkbare eigenschap: wolfraam‑selenium (WSe₂).

Bron: Max Planck Institute

Wolfraam‑selenium supergeleiding

Tot nu toe waren fenomenen die met supergeleiding correleren gedetecteerd in veel materialen die deel uitmaken van de zogenaamde overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD’s) klasse.

Echter bevestigt het nieuwe onderzoek onomstotelijk supergeleiding in 5,0° (hoekverschil tussen lagen, niet temperatuur) gedraaide bilayer WSe2.

Dit was bijzonder sterk bij lage temperaturen in dit experiment (426 millikelvin), maar het toont desalniettemin aan dat bilayer‑supergeleiding kan worden bereikt met andere gelaagde materialen dan grafeen.

De gedraaide bilayer WSe2 toonde ook een scherpe grens tussen de supergeleidings‑ en magnetische fasen bij lage temperaturen, wat de onderliggende mechanismen kan verklaren waarom het supergeleidend is.

Beter dan grafeen?

Als TMD‑materialen supergeleidend kunnen zijn, zouden ze mogelijk superieur zijn aan grafeen.

De reden is dat TMD‑materialen ook vele andere gewenste eigenschappen vertonen die bij grafeen ontbreken, zoals een eigen bandgap, sterke spin‑orbit koppeling, spin‑valley vergrendeling en magnetisme.

In dat opzicht lijkt dit op een ander type geavanceerde meta‑materialen, kagome‑materialen, die ook supergeleiding vertonen samen met magnetisme, terwijl dit meestal twee fenomenen zijn die niet gelijktijdig voorkomen.

Al met al lijkt het veld van supergeleiding zeer snel vooruitgang te boeken en de eerdere aannames van de discipline over wat wel en niet mogelijk is te doorbreken.

Wolfraambedrijf

Als wolfraam‑bilayers supergeleidend blijken te zijn, zou dit een belangrijke extra gebruikstoepassing zijn voor het ultraharde metaal, dat al in veel militaire toepassingen, de halfgeleiderindustrie en geavanceerde productie wordt gebruikt.

We bespraken de investeringscase voor wolfraam in detail in het oktober‑2024‑rapport “Tungsten – The Secret High-Tech Metal”.

Sindsdien heeft China beperkingen aangekondigd op de export van wolfraam, een metaal waarvan 80 % wordt geproduceerd door China. Dit laat zeer weinig bedrijven over die westerse industrieën kunnen bevoorraden, onafhankelijk van de Chinese toeleveringsketen.

Almonty Industries

Almonty is een wolfraam mijnwerker die momenteel voornamelijk produceert uit een mijn in Portugal, die de afgelopen 125 jaar in bedrijf is.

Het bedrijf werkt aan de uitbreiding van de Portugese mijn en bezit onontwikkelde afzettingen in Spanje.

Bron: Almonty

Het belangrijkste project van het bedrijf is de lopende ontwikkeling van een nieuwe mijn in Sangdong, Zuid‑Korea. De mijn bevat meer geïmpliceerde hulpbronnen dan al haar andere afzettingen samen.

Bron: Almonty

Als een van de weinige actieve en producerende wolfraam mijnwerkers in westerse landen, is Almonty een belangrijke strategische leverancier voor de defensie‑industrie. Het is dus een belangrijk bedrijf om de afhankelijkheid van de Chinese levering te verminderen.

De locatie van de Sangdong‑mijn maakt het een perfecte leverancier voor de defensie‑industrie, waarbij Zuid‑Korea een nieuwe gigant is in massaproductie van “low‑tech” militaire uitrusting zoals tanks, artillerie en munitie (vergeleken met minder wolfraam‑intensieve gevechtsvliegtuigen, vliegdekschepen, enz.).

Terwijl China zich voorbereidt om een enorme wolfraam mijn in Kazachstan te openen, staat Almonty klaar om de “politiek rond de securing van wolfraam” aanzienlijk te veranderen wanneer de Almonty Korea Tungsten Project’s Sangdong‑mijn binnen enkele maanden operationeel wordt. Wanneer deze productie start, zal het een van ’s werelds grootste wolfraam mijnen zijn, goed voor 30 % van de niet‑Chinese voorraad.

Lewis Black, directeur, voorzitter en CEO van Almonty Industries (ALM )

Almonty zou begin tot midden 2025 moeten beginnen met de productie van wolfraam uit de Koreaanse mijn.

Vanwege haar strategische positie als feitelijk de enige grote leverancier in het Westen, kreeg Almonty een gegarandeerde prijs aangeboden door Plansee. Plansee is een fabrikant van hoogwaardig metaal en een van Almonty’s grotere klanten, evenals eigenaar van 15 % van het bedrijf.

De minimale gegarandeerde prijs was $235/MTU (metrische ton eenheid), zonder bovengrens. Aangezien de Sangdong‑mijn streeft naar cashkosten van $110/mtu, zou dit praktisch een hoge winstmarge voor het project moeten garanderen.

Met een bijna perfecte timing tussen de aankomende opening van Sangdong en een nieuwe handelsoorlog tussen Trump’s Amerika en China, heeft de aandelenkoers sterk gereageerd en is met 40 % gestegen in slechts 2 dagen na de aankondiging van de exportbeperking van wolfraam vanuit China.

Studie Referentie:

^{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}