Flate bånd i kagome-metaller kan låse opp fremtidige superledere

Ny fremgang i kagome-superledere

Superledere er materialer som leder elektrisitet uten motstand, men hittil har de kun fungert under ekstreme forhold. Kagome-metaller kan endre dette.”
Dette gir lesere som kanskje ikke er fysikkkyndige et grunnlag.

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

Dette oppdagelsen ble bygget på en publisering fra 2022, hvor forskerne oppdaget at “kagome material,” en type metallisk krystall, viser overraskende magnetiske egenskaper.

Den får navnet sitt fra kagome-vevemønsteret som brukes i tradisjonelt japansk håndverk, eller triheksagonal flislegging, med overlappende trekanter og store heksagonale hull.

Kilde: Research Gate

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

Et annet krombasert kagome-metall, CsCr₃Sb₅ (cesium-krom-antimon), ser ut til å ha enormt potensial for fremtidige elektronikkkomponenter, inkludert superledere, topologiske isolatorer og spinbasert elektronikk, ifølge den siste artikkelen av forskere ved Rice University, publisert i Nature Communications¹, med tittelen “Spinn-eksitasjoner og flate elektronbånd i en Cr-basert kagome-superleder”.

Magnetiske og elektroniske egenskaper ved kagome-materialer

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

• Magnetiske effekter krever at elektroner flyter rundt kagome-trianglene, lik superledningsfenomener.
  • Selv om disse magnetiske og ladningsdensitetsbølge-effektene ikke er superledningsfenomener i tradisjonell forstand, har forskere bekreftet at slike fenomener i kagome-materialer kan vedvare selv ved romtemperatur og normale trykkforhold. Dette gjør dem til verdifulle mellomtrinn på veien mot å oppdage høyere temperatur-superledere.
• Tilstedeværelsen av en “ladningsdensitetsbølge“, hvor elektronene “slår seg sammen” til en kollektiv bølge som samlet bærer en elektrisk strøm.
  • I motsetning til “normal” superledning kommer dette i spiker, som vann som drypper fra en kran, snarere enn en kontinuerlig elektronstrøm.
• Til tross for å vise ladningsdensitetsbølger, viser kagome-materialer også magnetiske egenskaper, som vanligvis er to uforenlige egenskaper.

Generelt kan den svært organiserte naturen til kagome-materialer gjøre dem lettere å studere fenomener på kanten av vår forståelse av elektromagnetisme, som “ukonvensjonell superledning” eller “de kontinuerlige svingningene mellom magnetiske tilstander i kvante-spinnvæsker”.

Lage en kagome-superleder

Flatt bånd Elektroner 

Flate bånd-elektroner er elektroner i en spesiell type elektronenergi-bånd som har en konstant energi, eller “flatt” dispersjon, noe som betyr at elektroner har samme kinetiske energi uavhengig av deres momentum.

Mindre teknisk betyr dette en super-tett tilstand, hvor elektroner kan oppføre seg som superledere, men uten de vanlige forutsetningene for superledning (ultrakaldt eller ultra-høyt trykk).

Så langt har stabilisering av kagome-gitter for å bringe flate bånd til det nødvendige energinivået vært vanskelig å oppnå. Inntil CsCr₃Sb₅ ble brukt.

“Våre resultater bekrefter en overraskende teoretisk prediksjon og etablerer en vei for å konstruere eksotisk superledning gjennom kjemisk og strukturell kontroll,”
Pengcheng Dai – Rice’s Department of Physics and Astronomy

Bygge den rette krystallen

CsCr₃Sb₅ krystalliserer naturlig i et lagdelt heksagonalt gitter.

Kilde: Nature Communications

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

Ved å finjustere sine tidligere metoder klarte forskerne å produsere prøver 100 ganger større enn tidligere.

ARPES- og RIXS-analyse av kagome-superleder CsCr₃Sb₅

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

Kilde: Nature Communications

Den avdekket distinkte signaturer knyttet til kompakte molekylære orbitaler, et tegn på elektroniske flate bånd, og bekreftet at alle polariseringsgeometrier 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 å forme det magnetiske og elektroniske landskapet.”
Qimiao Si – Rice’s Department of Physics and Astronomy

Deretter brukte de RIXS (resonant inelastic X-ray scattering) for å måle de magnetiske eksitasjonstilstandene.

Dette bekreftet også tilstedeværelsen av flate bånd, uavhengig av ARPES-resultatene.

Kilde: Nature Communications

Temperaturens påvirkning på potensialet for kagome-superledning

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

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

“Ved å identifisere aktive flate bånd har vi demonstrert en direkte forbindelse mellom gittergeometri og fremvoksende kvantetilstander,”
Ming Yi – Rice’s Associate Professor of Physics and Astronomy.

Potensielle anvendelser

Tettheten av tilstander fra de flate båndene ligger på energinivåer nær et kvantisk kritisk punkt, noe som potensielt muliggjør superledning.

Dette er også en forbedring i forhold til det tidligere kagome-metallgitteret, da kagome-flate bånd gir en høy tetthet av tilstander over en mye større del av materialet.

CsCr3Sb5 undertrykker også tetthetsbølgen som observeres i andre kagome-materialer, og forbedrer dermed superledningspotensialet ytterligere.

En høy- eller romtemperatur kagome-superleder ville være revolusjonerende for kvantedatabehandling, spintronikk-elektronikkkomponenter (lavt energiforbruk), og topologiske materialer (lik den nye tilstanden av materie utviklet av Microsofts (MSFT ) kvantedatabehandlingsteam).

Den kan også ha potensial som “bare” en høytemperatur-superleder, som ville kunne brukes i maglev, militærteknologi og kraftproduksjon.

Sveip for å bla →

Ledende innen superledningløsninger

AMSC er et selskap som leverer energiløsninger for strømnettet, skip og vindenergi. Generelt, jo mer kraftkrevende eller massiv et system er, desto mer krever det superledningsteknologi for å unngå overoppheting.

Til tross for navnet tilbyr ASMC ikke bare superledningssystemer, men også for eksempel girdrivverk for vindmøller.

Selskapet drar nytte av flere vekstdrivere, fra trenden med elektrifisering og digitalisering (inkludert AI-datasentre), men også tilbakeflytting av amerikanske produksjonskapasiteter og behovet for at marine i den engelsktalende verden moderniserer seg som svar på økende geopolitiske risikoer.

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

I strømforsyningssegmentet har AMSC sett en jevn økning i bestillinger. Dette ble drevet av halvlederfabrikker som ønsker beskyttelse mot strømnettfluktuasjoner, hjelpe nettet med å håndtere den intermittente naturen til fornybare energikilder, samt strømforsyning og kontroll på industrielle anlegg.

I vindmøllesegmentet er AMSC hovedsakelig aktiv med sitt Electrical Control System (ECS). Historisk sett var ESC et sterkt segment for selskapet med 2 MW vindmøller, men det har gradvis avtatt. AMSC sikter mot en oppsving takket være den nye 3 MW turbinedesignet, med spesielt fokus på det indiske markedet.

Kilde: American Superconductor Corporation

For militære skip leverer ASMC “AMSCs høytemperatur superleder magnetiske miner mottiltak,” et system for å endre skipenes magnetiske signatur for å beskytte dem mot sjøminer. Dette selges til USAs, Canadas og Storbritannias marine, med bestillinger på 75 millioner dollar så langt.

Samlet sett gjør ASMC det best ved å utnytte superledningsteknologi i nisjeapplikasjoner som er levedyktige i dag, samtidig som de sannsynligvis er klare til å implementere ytterligere fremskritt i fremtiden. Investorer bør også merke seg at aksjen har opplevd ekstrem volatilitet tidligere, og de bør beregne risikoene deretter.

Siste nyheter og utviklinger for American Superconductor Corporation (AMSC) aksje

Studie referert

^{1. Wang, Z., Guo, Y., Huang, HY. et al. Spinn-eksitasjoner og flate elektronbånd i en Cr-basert kagome-superleder. Nature Communications 16, 7573 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62298-5}