Çift Katmanlı Nikeller: Yeni Bir Yüksek Sıcaklık Süperiletkenleri Sınıfı

Süperiletkenlik Sınırlamaları

Elektrik, tarihin en dönüştürücü teknolojilerinden biri olmuştur ve uzun mesafelerde çok faydalı bir enerji biçiminin iletilmesine olanak sağlamıştır. Ancak her "normal" elektrik sistemi, bir elektrik akımı uygulandığında ısı oluşumuyla sonuçlanan elektrik direnciyle karşı karşıyadır.

Bir alternatif var: sözde süperiletken malzemeler. Süperiletken malzemelerin elektrik direnci sıfırdır, bu da ısı üretmeden son derece güçlü akımların kullanılmasına olanak tanır.

Süperiletkenlik olmadan, parçacık hızlandırıcıları (örneğin, CERN), MRI ve maglev trenleri.

Süperiletkenlik, en umut verici mega projelerin ve teknolojik yeniliklerin önemli bir bileşeni olacak, örneğin: ITER ve çekirdek birleşmesi, kitle sürücüleri, kuantum bilgisayarlar, vb.

Sıfır kayıplı elektrik hatları, aynı zamanda, yenilenebilir enerji üretiminin hava koşulları ve zaman dilimleri boyunca tamponlanmasına yardımcı olarak, güneş ve rüzgar enerjisinin bazı sınırlamalarını çözerek, ultra uzun şebeke bağlantıları geliştirmede de önemli olabilir.

Kaynak: XOT Metaller

Ancak, süperiletkenlik şimdiye kadar yalnızca mutlak sıfırın birkaç derece üzerindeki ultra düşük sıcaklıklarda veya aşırı yüksek basınçlarda bunu gösteren malzemeler için elde edilebildi.

Bu durum, onu yalnızca en zorlu uygulamalar (maglev, MRI, vb.) için değil, aynı zamanda çok maliyetli hale getirerek, süperiletken malzemeden veya herhangi bir büyük ölçekli kullanımdan faydalanabilecek birçok uygulama için ekonomik olmayan bir hale getiriyor.

Süperiletkenliğe Giden Birçok Yol

Artık yüksek basınçta üretilen malzemenin, süperiletkenliğinin bir kısmını daha düşük basınçta da koruyabileceği anlaşılıyor. Basınç-söndürme protokolü (PQP) adı verilen deneysel bir yöntemle.

Son zamanlarda, WSe₂'nin (tungsten selenyum) bükülmüş çift tabakası yüksek sıcaklık süperiletkenleri için de iyi bir malzeme adayı olduğu ortaya çıktı.

Yani yıllar süren yavaş ilerlemeden sonra, fizikçilerin süperiletken malzemeler yaratmanın tamamen yeni yollarını keşfetmeye başladığı anlaşılıyor. Ve şimdi listeye, nikel içeren yeni bir süperiletken ailesiyle yeni bir tane daha ekleniyor.

Shenzhen Güney Bilim ve Teknoloji Üniversitesi ve Tsinghua Üniversitesi'ndeki Çinli araştırmacılar, çift katmanlı nikelat süperiletkenlerin mutlak sıfırın çok üzerinde ve ortam basıncında direnç göstermeden elektriği ilettiğini keşfettiler.¹

Sonuçlarını saygın bilim dergisi Nature'da "(La,Pr)40Ni3O2 filmlerinde 7 K'nin üzerinde ortam basıncında süperiletkenlik başlangıcı anlayışının sonucu olarak, buzdolabında iki üç günden fazla durmayan küçük şişeler elinizin altında bulunur.

Çok Soğuk Olmayan Süperiletkenler

Yüksek sıcaklık süperiletkenliği bir gün bir seçenek haline gelebilir, özellikle de kafa karıştırıcı durumla birlikte LK-99 (bakır-ikameli kurşun apatitin bir türü – CSLA), yeni bir tür ortam basıncında, oda sıcaklığında süperiletken.

İddia hemen itiraz edildi ve bir aldatmaca veya ölçüm hatası olarak eleştirildi, ancak sonra diğer araştırmacılar sonuçta bir şeylerin olabileceğini keşfettiler.

Ancak bu, daha yüksek sıcaklıklarda çalışabilen tek süperiletken sınıfı değil.

Son zamanlarda iki grup seramiğin (bakır esaslı kupratlar ve demir esaslı pniktidler) oda basıncında ve 150°K (–123°C / -189°F) kadar yüksek sıcaklıklarda çalışan alışılmadık süperiletkenler olarak çalıştığı keşfedildi.

Kaynak: Günümüz Malzemeleri

Şimdi ise nikelatların bu seramiklere katılarak daha yüksek sıcaklıklarda süperiletken görevi gören bir malzeme oluşturduğu anlaşılıyor.

Çok sıcak olmasa da, mevcut süperiletkenlere göre bir sıcaklığa ulaşmak çok daha kolaydır. Örneğin, ITER'in süperiletken mıknatısları Sıvı helyumla mutlak sıfıra yakın bir sıcaklığa soğutulması gerekecek, bu da çok enerji gerektiren ve pahalı bir işlem.

Genel olarak bu durum, süperiletkenlerin orta vadede çok daha yaygın hale geleceğinin, çünkü çok daha fazla süperiletken formunun keşfedilip denenmekte olduğunun göstergesidir.

Süperiletken Nikelatlar

Nikelatın potansiyel süperiletkenlik özelliklerine sahip olduğu, 2019 yılında Hong Kong Şehir Üniversitesi'nden fizikçi Danfeng Li ve meslektaşı tarafından keşfedildi. 2023 yılında ise başka bir ekip, nikelatların daha yüksek sıcaklıklarda, ancak yüksek basınç altında süperiletkenliğini kanıtladı.

Kaynak: Tabiat

Ancak Aralık 2024'te nikelatların kritik bir sıcaklıkta direncini kaybettiği ve manyetik alan yaydığı ilk kez tespit edildi; her ikisi de süperiletkenliğin güçlü göstergeleriydi.

Bu sonucu elde etmek için, La2.85Pr0.15Ni2O7'nin (lantan-praseodim-nikel) tek kristal filmleri, adı verilen bir teknik kullanılarak büyütüldü. devasa-oksidatif atomik-katman-katman epitaksi (GOALL-Epitaksi)Bu teknik aynı araştırmacı ekibi tarafından geliştirildi ve atomik seviyede malzeme katmanları üretmede birkaç kat daha güçlü oksidasyon ve hassasiyet sağlıyor.

Kaynak: Araştırma kapısı

Nikel esaslı bileşiği incelemek için Taramalı Transmisyon Elektron Mikroskobu (STEM) görüntüleri ve X-ışını Karşılıklı Uzay Eşlemeleri (RSM) dahil olmak üzere ileri analitik yöntemler kullanıldı.

Nikel oksit tabakasında, doğru koşullarda elektronların serbestçe akmasından sorumlu olabilecek tetragonal bir fazın ortaya çıktığını ortaya koydular.

Süperiletken Malzemelerin Geliştirilmesi

Nikelat özelliklerini iyileştirmek için ön test olarak kullanılan yöntem daha da geliştirilebilir. Bu, bu süperiletkenlerin sıcaklığını daha da yükseltmek için birden fazla teste yol açmalıdır.

"Sonunda kritik sıcaklığı yükseltip bu tür malzemeleri uygulamalar için daha kullanışlı hale getirebileceğimize dair büyük bir umut var."

Danfeng Li – Hong Kong Şehir Üniversitesi’nde Fizikçi.

Analiz, nikelatlara süperiletkenlik kazandıran sürecin, bakırdan yapılan kupratları etkileyen sürece benzer olduğunu göstermektedir.

"Bunu artırmak bir önceliktir. Ekip, malzemenin nasıl yetiştirileceğini ve kesin bileşimini ayarlamak için çeşitli numaralar deniyor."

Zhuoyu Chen – SUSTech'te Fizikçi

Teoriden Önce Deneyler

Yüksek sıcaklık süperiletkenleri veya potansiyel oda sıcaklığı süperiletkenleri ile ilgili son sonuçların, bu alandaki teorik fiziğin çok ötesinde olduğu belirtilmelidir.

Yani, neden işe yaradığı hala oldukça büyük bir gizem. Bu malzemelerin neden süperiletken olduğuna dair henüz tam bir açıklama yok ve hangi malzemenin bu özellikleri gösterebileceğini tahmin etmek için daha da az öngörücü bir yöntem var.

Şimdiye kadar yüksek basınç veya aşırı soğuk koşullara duyulan ihtiyaç, süperiletkenliğin sadece elmas örs veya sıvı helyumda gerçekleştiği durumlarda herhangi bir şeyi test etmenin zor olması nedeniyle bu malzemelerin incelenmesini ciddi şekilde engellemişti.

Daha kolay korunan koşullar, bilim insanlarına bu malzemeleri inceleme ve değiştirme konusunda daha fazla hareket alanı sağlamalıdır.

Bu da iyileştirme için çok fazla alan bırakıyor ve yapay zekanın da yardımıyla bu materyallerin daha iyi anlaşılması daha ileri gitmemize yardımcı olabilir.

Ayrıca daha fazla araştırmacının bu alanda çalışmasını ve daha fazla şirketin bu projelere Ar-Ge bütçesi ayırmasını sağlayarak ilerlemenin hızını artırmalıdır.

Gelecekteki Uygulamalar

Yüksek sıcaklık süperiletkenleri, büyük ölçekte üretilebilecek kadar iyi anlaşılırlarsa, anında harika bir malzeme haline gelebilirler.

İlk ani etki, süperiletkenlikten yararlanan MRI, maglev trenleri, gelişmiş türbinler ve jeneratörler, parçacık hızlandırıcıları, deneysel füzyon reaktörleri vb. gibi ekipmanların maliyetinin düşmesi olacaktır.

Ayrıca, düşük sıcaklık süperiletkenlerinin teknik kısıtlamaları nedeniyle şimdiye kadar hiç yapılamayan veya aşırı pahalı olan bir teknolojinin de mümkün olmasını sağlayacaktır.

Bu içerir hiper döngü trenleri, Yörüngeye ulaşmak için kütle sürücüleri, ticari nükleer füzyon, kıtalararası şebeke bağlantıları vb. Bunların her biri insan medeniyetinin yolunu sonsuza dek değiştirecek bir teknolojidir.

Süperiletkenlik Çözümlerinde Liderler

Amerikan Süperiletken Şirketi

AMSC, elektrik şebekesi, gemiler ve rüzgar enerjisi için enerji çözümleri sağlayan bir şirkettir. Genel olarak, bir sistem ne kadar güç açlığı çekiyorsa veya ne kadar büyükse, aşırı ısınmayı önlemek için süperiletken teknolojisine o kadar çok ihtiyaç duyar.

ASMC, ismine rağmen sadece süperiletken sistemleri değil, aynı zamanda örneğin rüzgar türbinleri için dişli aktarma organları da sağlıyor.

Şirket, elektriklendirme ve dijitalleşme (yapay zeka veri merkezleri dahil) trendlerinden, ayrıca ABD üretim kapasitelerinin geri çekilmesinden ve Anglosfer'deki Deniz Kuvvetlerinin artan jeopolitik risklere yanıt olarak modernleşme ihtiyacından kaynaklanan birden fazla büyüme itici gücünden yararlanıyor.

Kaynak: Amerikan Süperiletken Şirketi

Güç tedarik segmentinde AMSC siparişlerde istikrarlı bir artış gördü. Bu, yarı iletken fabrikalarının güç şebekesi dalgalanmalarından korunma arayışı, şebekenin yenilenebilir enerjinin kesintili doğasıyla başa çıkmasına yardımcı olma ve endüstriyel sahalardaki güç tedariki ve kontrolleri tarafından yönlendirildi.

Kaynak: Amerikan Süperiletken Şirketi

Rüzgar türbini segmentinde AMSC çoğunlukla Elektrik Kontrol Sistemi (ECS) ile aktiftir. Tarihsel olarak, ESC 2MW rüzgar türbinleriyle şirket için güçlü bir segmentti, ancak giderek düşüşe geçti. AMSC, özellikle Hindistan pazarına odaklanarak yeni 3MW türbin tasarımı sayesinde bir toparlanma hedefliyor.

Kaynak: American Superconductor Corporation

ASMC, askeri gemiler için gemilerin manyetik imzasını değiştirerek deniz mayınlarından korunmalarını sağlayan bir sistem olan "AMSC'nin Yüksek Sıcaklık Süperiletken Manyetik Mayın Önlemi"ni sağlıyor. Bu sistem, ABD, Kanada ve İngiltere donanmalarına satılıyor ve şimdiye kadar 75 milyon dolar değerinde sipariş aldı.

Genel olarak, ASMC bugün uygulanabilir niş uygulamalarda süper iletken teknolojisinden yararlanma konusunda en iyisini yapıyor ve gelecekte daha fazla ilerleme kaydetmeye hazır olması muhtemel. Yatırımcılar ayrıca hissenin geçmişte aşırı oynaklık yaşadığını ve riskleri buna göre hesaplamaları gerektiğini de unutmamalıdır.

American Superconductor Corporation'daki son gelişmeler

Çalışma Referansı:

^{1.Zhou, G., Lv, W., Wang, H. ve ark.(2025) Ortam basıncında süperiletkenlik başlangıcı 40 K'nin üzerinde (La,Pr)3Ni2O7 Tabiat. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08755-z}