Flate bånd i Kagome-metaller kan låse opp fremtidige superledere

Nye fremskritt innen Kagome-superledere

Superledere er materialer som fører strøm uten motstand, men frem til nå har de bare fungert under ekstreme forhold. Kagome-metaller kan endre på det.»
Dette gir grunnlag for lesere som kanskje ikke er fysikkkyndige.

I november 2024 diskuterte vi en nytt materiale for nye magnetiske teorier, utviklet av forskere ved Rice University.

Denne oppdagelsen ble bygget upon en publikasjon fra 2022, der forskere oppdaget at «kagome materiale«, en type metallisk krystall, viser overraskende magnetiske egenskaper.

Den har fått navnet sitt fra kagome-vevemønsteret som brukes i tradisjonell japansk håndverk, eller trihexagonal flislegging, med overlappende trekanter og store sekskantede tomrom.

kilde: forskning Gate

På lignende måte er kagommaterialer, som for eksempel magnetiske jern-germaniumkrystaller, organisert i dette mønsteret på atomnivå.

Et annet krombasert kagommetall, CsCr₃Sb₅ (cesium-krom-antimon), ser ut til å ha et enormt potensial for fremtidige elektronikkkomponenter, inkludert superledere, topologiske isolatorer og spinnbasert elektronikk, ifølge den nyeste artikkelen fra forskere ved Rice University, publisert i Nature Communications.¹, under tittelen "Spinneksitasjoner og flate elektroniske bånd i en Cr-basert kagom-superleder".

Magnetiske og elektroniske egenskaper til Kagome-materialer

Allerede i 2022 ble unike egenskaper til kagome-materialet lagt merke til:

• Magnetiske effekter krever at elektroner flyter rundt kagome-trekantene, beslektet med superledning.
  • Selv om disse magnetiske og ladningstetthetsbølgeeffektene ikke er superledning i konvensjonell forstand, har forskere bekreftet at slike fenomener i kagommaterialer kan vedvare selv ved romtemperatur og normale trykkforhold. Dette gjør dem til verdifulle springbrett mot å oppdage superledere med høyere temperatur.
• Tilstedeværelsen av en "ladningstetthetsbølge", hvor elektronene "smelter sammen" i hverandre til en kollektiv bølge, som kollektivt bærer en elektrisk strøm.
  • I motsetning til «normal» superledning, kommer dette i pigger, som vann som drypper fra en kran, mer enn en kontinuerlig elektronstrøm.
• Til tross for at de viser ladningstetthetsbølger, viser kagommaterialer også magnetiske egenskaper, som vanligvis er to inkompatible egenskaper.

Alt i alt kan den svært organiserte naturen til kagommaterialer gjøre det lettere å studere fenomener helt i utkanten av vår forståelse av elektromagnetisme, som «ukonvensjonell superledning"Eller"de kontinuerlige fluktuasjonene mellom magnetiske tilstander i kvantespinnvæsker".

Å lage en Kagome-superleder

Flatt bånd elektroner 

Flatbåndselektroner er elektroner i en spesiell type elektronenergibånd som har en konstant energi, eller "flat" dispersjon, som betyr at elektroner har samme kinetiske energi uavhengig av momentum.

Mindre teknisk sett betyr dette en supertett tilstand, der elektroner kan oppføre seg som superledere, men uten de vanlige forutsetningene for superledning (ultrakaldt eller ultrahøyt trykk).

Så langt har det vært vanskelig å stabilisere kagomgittere for å bringe flate bånd til det nødvendige energinivået. Inntil CsCr₃Sb₅ ble brukt.

«Resultatene våre bekrefter en overraskende teoretisk prediksjon og etablerer en vei for å konstruere eksotisk superledning gjennom kjemisk og strukturell kontroll»

Pengcheng Dai - Rices institutt for fysikk og astronomi

Å bygge den rette krystallen

CsCr₃Sb₅ krystalliserer naturlig i et lagdelt sekskantet gitter.

kilde: Nature Communications

For å observere effekten i stor skala og ha et materiale som vil være nyttig for senere kommersielle anvendelser, var det imidlertid nødvendig med en mye større krystall.

Ved å forbedre sine tidligere metoder, klarte forskerne å produsere prøver som var 100 ganger større enn tidligere gjort.

ARPES- og RIXS-analyse av Kagome-superlederen CsCr₃Sb₅

For å visualisere den elektroniske strukturen til CsCr3Sb5 brukte forskerne en teknikk kalt ARPES (vinkeloppløst fotoemisjonsspektroskopi). Den lager et kart over elektronet under lys generert av en partikkelakselerator (synkrotron).

kilde: Nature Communications

Den avdekket tydelige signaturer assosiert med kompakte molekylære orbitaler, et tegn på elektroniske flate bånd, og bekreftet at alle polarisasjonsgeometriene bidrar til dannelsen av flate bånd.

«ARPES- og RIXS-resultatene fra vårt samarbeidende team gir et konsistent bilde av at flate bånd her ikke er passive tilskuere, men aktive deltakere i utformingen av det magnetiske og elektroniske landskapet.»

Qimiao Si - Rices institutt for fysikk og astronomi

De brukte deretter RIXS (resonant uelastisk røntgenspredning) for å måle de magnetiske eksitasjonstilstandene.

Også dette bekreftet tilstedeværelsen av flate bånd, uavhengig av ARPES' resultater.

kilde: Nature Communications

Temperatureffekter på Kagome superledningspotensial

Forskerne undersøkte deretter effekten av temperaturvariasjoner på egenskapene til dette nye materialet.

I motsetning til andre potensielle superledende materialer, var egenskapene bedre ved 140°K (-133°C / -207°F) enn klokken 10°K (-263°C / -441°F).

kilde: Nature Communications

Samlet sett identifiserte disse eksperimentene ikke bare et svært lovende nytt materiale, men demonstrerte også at gittergeometrien er direkte knyttet til emergente kvantetilstander.

«Ved å identifisere aktive, flate bånd har vi demonstrert en direkte sammenheng mellom gittergeometri og emergente kvantetilstander».

Ming Yi - Ris' Førsteamanuensis Pprofessor i Pfysikk og Aastronomi.

Potensielle applikasjoner

Tilstandstettheten fra de flate båndene er på energinivåene nær et kvantekritisk punkt, noe som potensielt muliggjør superledning.

Dette er også en forbedring i forhold til det tidligere kagommetallgitteret, ettersom kagomflate bånd gir en høy tilstandstetthet over en mye større del av materialet.

CsCr3Sb5 undertrykker også tetthetsbølgen observert i andre kagommaterialer, noe som forbedrer superledningspotensialet ytterligere.

En kagom-superleder med høy eller romtemperatur ville være revolusjonerende for kvantedatamaskinering, spintroniske elektronikkkomponenter (elektronikk med lavt energiforbruk) og topologiske materialer (lik den nye materiens tilstand utviklet av Microsofts (MSFT -2.68%) kvantedatamaskinteamet).

Den kan også ha potensial som «bare» en høytemperatur-superleder, som ville være brukbar i maglev, militærteknologi og kraftproduksjon.

Sveip for å bla →

Ledere innen superledningsløsninger

American Superconductor Corporation

AMSC er et selskap som leverer energiløsninger for kraftnettet, skip og vindenergi. Generelt, jo mer strømkrevende eller massivt et system er, jo mer krever det superledende teknologi for å unngå overoppheting.

Til tross for navnet, leverer ASMC ikke bare superledersystemer, men også for eksempel girdrivverk for vindturbiner.

Selskapet rir på flere vekstfaktorer, fra trenden med elektrifisering og digitalisering (inkludert AI-datasentre), men også flytting av amerikansk produksjonskapasitet og behovet for at mariner i den anglosfære moderniserer seg som svar på økende geopolitiske risikoer.

kilde: American Superconductor Corporation

I strømforsyningssegmentet har AMSC sett en jevn økning i ordreinngangen. Dette ble drevet av halvlederfabrikker som ønsket å bli beskyttet mot svingninger i strømnettet, og hjalp nettet med å håndtere den periodiske naturen til fornybar energi, og strømforsyning og kontroller på industrianlegg.

Innen vindturbinsegmentet er AMSC hovedsakelig aktiv med sitt elektriske kontrollsystem (ECS). Historisk sett var ESC et sterkt segment for selskapet med 2 MW vindturbiner, men det har gradvis falt. AMSC sikter mot en oppgang takket være den nye 3 MW turbindesignen, med spesielt fokus på det indiske markedet.

kilde: American Superconductor Corporation

For militærskip tilbyr ASMC «AMSCs magnetiske minetevernmiddel mot høytemperatursuperledere», et system for å endre skipenes magnetiske signatur for å beskytte dem mot sjøminer. Dette selges til den amerikanske, kanadiske og britiske marinen, med bestillinger verdt 75 millioner dollar så langt.

Totalt sett gjør ASMC det best med å utnytte superlederteknologi i nisjeapplikasjoner som er levedyktige i dag, samtidig som de sannsynligvis er klare til å implementere ytterligere fremskritt i fremtiden. Det bør også bemerkes av investorer at aksjen har opplevd ekstrem volatilitet tidligere, og de bør beregne risikoen deretter.

Siste aksjenyheter og utvikling for American Superconductor Corporation (AMSC)

Studiereferert

^{1. Wang, Z., Guo, Y., Huang, HY. et al. Spinneksitasjoner og flate elektroniske bånd i en Cr-basert kagom-superlederNaturkommunikasjon 16, 7573 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62298-5}