Bilayer Nickelates: Isang Bagong Klase ng Mataas na Temperatura na Superkonduktor

Mga Limitasyon ng Superkonduktibidad

Electricity has been one of the most transformative technologies in history, allowing for the transmission of a very useful form of energy over long distances. But every “normal” electric system faces electric resistance, which results in the generation of heat when an electric current is applied.

Mayroong alternatibo: ang tinatawag na mga superkonduktibong materyales. Ang mga superkonduktibong materyales ay may resistensyang elektriko na zero, na nagpapahintulot sa paggamit ng napakalakas na kuryente nang hindi nagbubuo ng init.

Kung wala ang superkonduktibidad, maraming makabagong teknolohiya ang hindi magiging posible, kabilang ang mga particle accelerator (halimbawa, ang CERN), MRI, at mga maglev na tren.

Ang superkonduktibidad ay magiging mahalagang sangkap ng mga pinaka-promising na megaprojects at teknolohikal na inobasyon, tulad ng ITER at nuklear na pagsasanib, mass drivers, quantum computers, atbp.

Ang mga linya ng kuryente na walang pagkawala ay maaari ring maging mahalaga sa pagbuo ng napakahabang mga koneksyon ng grid na tumutulong mag-buffer ng produksyon ng renewable sa iba’t ibang kondisyon ng panahon at time zones, na naglutas ng ilang limitasyon ng solar at hangin na enerhiya.

Pinagmulan: XOT Metals

Gayunpaman, ang superkonduktibidad ay napag-aralan lamang hanggang ngayon para sa mga materyales na nagpapakita nito sa napakababang temperatura, ilang antas lamang lampas sa absolute zero. O sa napakataas na presyon.

Ginagawa nitong hindi lamang napakakomplikado para sa kahit na alinman sa mga pinaka-demand na aplikasyon (maglev, MRI, atbp.) kundi napakamahal din, na nagiging hindi praktikal para sa maraming aplikasyon na maaaring makinabang mula sa superkonduktibong materyal o anumang malakihang paggamit.

Maraming Landas Patungo sa Superkonduktibidad

Mukhang ang materyal na ginawa sa mataas na presyon ay maaaring mapanatili ang ilan sa superkonduktibidad nito sa mas mababang presyon, sa pamamagitan ng isang eksperimental na pamamaraan na tinatawag na pressure-quench protocol (PQP).

Kamakailan, ang twisted bilayer ng WSe₂ (tungsten selenium) ay lumitaw na isang magandang kandidato na materyal para sa mas mataas na temperatura na superkonduktor din.

Kaya pagkatapos ng mga taon ng mabagal na pag-unlad, tila nagsisimula nang tuklasin ng mga pisiko ang ganap na mga bagong paraan ng paglikha ng mga superkonduktibong materyales. At isang bago ang ngayon idinagdag sa listahan, na may bagong pamilya ng mga superkonduktor na naglalaman ng nickel.

Natuklasan ng mga mananaliksik na Tsino sa Southern University of Science and Technology sa Shenzhen at Tsinghua University na ang mga bilayer nickelate superkonduktor ay nagdadala ng kuryente nang walang resistensya, malayo sa absolute zero at sa ambient na presyon.¹

Inilathala nila ang kanilang mga resulta sa prestihiyosong siyentipikong journal na Nature, sa pamagat na “Ambient-pressure superconductivity onset above 40 K in (La,Pr)3Ni2O7 films”.

Hindi Masyadong Malamig na mga Superkonduktor

Ang high-temperature superconductivity ay maaaring maging isang opsyon balang araw, lalo na sa kahindik-hindik na kaso ng LK-99 (isang anyo ng copper-substituted lead apatite – CSLA), isang bagong uri ng ambient-pressure, room-temperature na superkonduktor.

Ang pahayag ay agad na kinontra at pinuna bilang isang panlilinlang o pagkakamali sa pagsukat, ngunit natuklasan ng ibang mga mananaliksik na maaaring may nangyayari nga.

Ngunit ito ay hindi lamang ang klase ng mga superkonduktor na maaaring gumana sa mas mainit na temperatura.

Kamakailan, natuklasan na ang dalawang grupo ng mga keramika (copper-based cuprates at iron-based pnictides) ay gumagana bilang mga di-pangkaraniwang superkonduktor na nag-ooperate sa room pressure at sa mga temperatura na kasing taas ng 150°K (–123°C / -189°F).

Pinagmulan: Materials Today

Ngayon, tila ang nickelates ay sumasama sa mga keramika upang lumikha ng materyal na gumagana bilang superkonduktor sa mas mataas na temperatura.

Bagaman hindi ganoon kainit, mas madali itong maabot kaysa sa kasalukuyang mga superkonduktor. Halimbawa, mga superconducting magnet ng ITER ay kailangang palamigin malapit sa absolute zero gamit ang liquid helium, isang napaka-enerhiya at magastos na proseso.

Sa pangkalahatan, nagpapahiwatig ito na ang mga superkonduktor ay malamang na maging mas karaniwan sa katamtamang panahon, habang marami pang anyo nito ang natutuklasan at sinusubukan.

Nickelate na Superkonduktor

Natuklasan na may potensyal na katangian ng superkonduktibidad ang nickelate noong 2019 nina Danfeng Li, isang pisiko sa City University of Hong Kong, at ng kanyang kasamahan. Noong 2023, isang ibang koponan ang nagpakita ng superkonduktibidad ng nickelates sa mas mataas na temperatura, ngunit sa ilalim ng mataas na presyon.

Pinagmulan: Nature

Ngunit noong Disyembre 2024, unang natuklasan na ang nickelates ay nawalan ng resistensya sa isang kritikal na temperatura at nagpalabas ng magnetic fields, parehong malalakas na indikasyon ng superkonduktibidad.

Upang makamit ang resulta, ang mga single-crystal film ng La2.85Pr0.15Ni2O7 (lanthanum-praseodymium-nickel) ay pinalaki gamit ang teknik na tinatawag na gigantic-oxidative atomic-layer-by-layer epitaxy (GOALL-Epitaxy). Ang teknik na ito ay binuo ng parehong koponan ng mga mananaliksik at nagbibigay ng ilang order ng magnitude na mas malakas na oksidasyon at katumpakan sa paggawa ng mga patong ng materyal sa antas ng atom.

Pinagmulan: Research Gate

Gumamit ng mga advanced na analytical method upang pag-aralan ang nickel-based compound, kabilang ang Scanning transmission electron microscopy (STEM) images at X-ray reciprocal space mappings (RSMs).

Ipinakita nila ang paglitaw ng tetragonal phase sa nickel oxide layer, na maaaring maging dahilan ng malayang daloy ng mga electron sa tamang kondisyon.

Pagpapabuti ng mga Superkonduktibong Materyales

Ang metodong ginamit bilang paunang pagsusuri upang mapabuti ang mga katangian ng nickelate ay maaaring higit pang pagbutihin. Dapat itong magdulot ng maraming pagsusuri upang higit pang itaas ang temperatura ng mga superkonduktor na ito.

“May malaking pag-asa na sa kalaunan ay maitaas natin ang kritikal na temperatura at gawing mas kapaki-pakinabang ang mga materyales na ito para sa mga aplikasyon.”
Danfeng Li – Pisiko sa City University of Hong Kong.

“Ang pagpapataas nito ay prayoridad. Sinusubukan ng koponan ang iba’t ibang paraan upang baguhin kung paano lumalaki ang materyal at ang eksaktong komposisyon nito.”
Zhuoyu Chen – Pisiko sa SUSTech

Mga Eksperimento Bago ang Teorya

Dapat tandaan na ang mga kamakailang resulta tungkol sa mas mataas na temperatura na mga superkonduktor, o kahit potensyal na room-temperature na mga superkonduktor, ay nauuna sa teoretikal na pisika sa larangan.

Kaya, bakit ito gumagana ay nananatiling isang misteryo. Wala pang kumpletong paliwanag kung bakit ang mga materyal na ito ay mga superkonduktor, at mas kaunti pa ang prediktibong pamamaraan upang hulaan kung aling materyal ang maaaring nagpapakita ng mga katangiang ito.

Hanggang ngayon, ang pangangailangan para sa mataas na presyon o napakalamig na kondisyon ay lubos na nakahadlang sa pag-aaral ng mga materyal na ito, dahil mahirap subukan ang anumang bagay kapag ang superkonduktibidad ay nangyayari lamang sa isang diamond anvil o liquid helium.

Ang mas madaling mapanatili na mga kondisyon ay dapat magbigay ng mas maraming kalayaan para sa mga siyentista na pag-aralan ang mga materyal na ito at baguhin ang mga ito.

Kaya nag-iiwan ito ng maraming puwang para sa pagpapabuti, at ang mas mahusay na pag-unawa sa mga materyal na ito, kasama ang tulong ng AI, ay dapat makatulong upang umusad pa.

Dapat din itong maghikayat ng mas maraming mananaliksik na magtrabaho sa larangan at mas maraming kumpanya na maglaan ng mga badyet sa R&D para sa mga proyektong ito, na nagpapabilis ng takbo ng pag-unlad.

Mga Hinaharap na Aplikasyon

Ang high-temperature superconductors ay magiging isang agarang kahanga-hangang materyal kung ito ay sapat na mauunawaan para sa paggawa nito sa malakihang sukat.

Ang unang agarang epekto ay ang pagbawas ng gastos ng mga kagamitan na gumagamit na ng superkonduktibidad, tulad ng MRI, mga maglev na tren, advanced na turbina at generator, particle accelerator, experimental fusion reactor, atbp.

Gagawin din nitong posible ang teknolohiya na hanggang ngayon ay hindi kailanman nagawa o napakamahal dahil sa teknikal na limitasyon ng low-temperature superconductors.

Kabilang dito ang mga hyperloop na tren, mass drivers para maabot ang orbit, komersyal na nuclear fusion, intercontinental na koneksyon ng grid, atbp. Ang bawat isa sa mga ito ay teknolohiyang magbabago magpakailanman sa landas ng sibilisasyon ng tao.

Mga Nangungunang Solusyon sa Superkonduktibidad

American Superconductor Corporation

Ang AMSC ay isang kumpanya na nagbibigay ng mga solusyon sa enerhiya para sa power grid, mga barko, at wind energy. Sa pangkalahatan, kung mas malaki o mas maraming kuryente ang kinakailangan ng isang sistema, mas marami itong nangangailangan ng teknolohiyang superkonduktor upang maiwasan ang sobrang pag-init.

Sa kabila ng pangalan nito, ang ASMC ay hindi lamang nagbibigay ng mga superconductor system kundi pati na rin, halimbawa, mga gear drivetrain para sa mga wind turbine.

Ang kumpanya ay sumasabay sa maraming growth driver, mula sa trend ng electrification, at digitalization (kasama ang AI datacenters), pati na rin ang reshoring ng mga kapasidad ng paggawa sa US at ang pangangailangan ng mga Navy ng Anglosphere na mag-modernisa bilang tugon sa lumalaking geopolitical na panganib.

Pinagmulan: American Superconductor Corporation

Sa segment ng power supply, nakakita ang AMSC ng patuloy na pagtaas ng mga order. Ito ay pinasigla ng mga semiconductor fab na nais protektahan mula sa mga pag-fluctuate ng power grid, tumutulong sa grid na harapin ang intermittent na kalikasan ng renewables, at power supply at kontrol sa mga industriyal na site.

Pinagmulan: American Superconductor Corporation

Sa segment ng wind turbine, ang AMSC ay karamihang aktibo sa Electrical Control System (ECS). Historikal, ang ESC ay isang malakas na segment para sa kumpanya kasama ang 2MW wind turbines, ngunit ito ay unti-unting bumaba. Layunin ng AMSC na magkaroon ng rebound dahil sa bagong 3MW turbine design, na may espesyal na pokus sa pamilihang Indian.

Pinagmulan: American Superconductor Corporation

Para sa mga militar na barko, naglalaan ang ASMC ng “AMSC’s High Temperature Superconductor Magnetic Mine Countermeasure,” isang sistema upang baguhin ang magnetic signature ng mga barko upang protektahan ang mga ito mula sa sea mines. Ito ay ibinibenta sa mga navy ng US, Canada, at UK, na may $75M na halaga ng mga order hanggang ngayon.

Sa pangkalahatan, ang ASMC ay pinakamahusay sa paggamit ng teknolohiyang superkonduktor sa mga niche na aplikasyon na magagamit ngayon, habang malamang na handa nang ilunsad ang karagdagang mga pag-unlad sa hinaharap. Dapat ding mapansin ng mga mamumuhunan na ang stock ay nakaranas ng matinding volatility noon, at dapat kalkulahin ang mga panganib nang naaayon.

Pinakabagong Balita sa American Superconductor Corporation

Sanggunian ng Pag-aaral:

^{1.Zhou, G., Lv, W., Wang, H. et al.(2025) Pag-usbong ng superconductivity sa ambient pressure na lampas 40 K sa (La,Pr)3Ni2O7 Nature. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08755-z}