Çift Katmanlı Nikelatlar: Yeni Bir Yüksek Sıcaklık Süperiletkeni Sınıfı

Süperiletkenlik Sınırlamaları

Elektrik, çok kullanışlı bir enerji biçiminin uzun mesafelere iletilmesini sağlayarak tarihin en dönüştürücü teknolojilerinden biri oldu. Ancak her “normal” elektrik sistemi elektrik direnciyle karşılaşır ve bu direnç, akım uygulandığında ısı üretir.

Alternatif bir seçenek vardır: sözde süperiletken malzemeler. Süperiletken malzemeler sıfır elektrik direncine sahiptir, bu da ısı üretmeden son derece güçlü akımların kullanılabilmesini sağlar.

Süperiletkenlik olmadan, parçacık hızlandırıcıları (örneğin CERN), MRI ve manyetik levitasyon trenleri gibi birçok modern teknoloji mümkün olmazdı.

Süperiletkenlik, ITER ve nükleer füzyon, kütle sürücüleri, kuantum bilgisayarlar gibi en umut vaat eden mega projeler ve teknolojik yeniliklerin kritik bir bileşeni olacaktır.

Sıfır kayıplı elektrik hatları, yenilenebilir enerjinin üretimini hava koşulları ve zaman dilimleri arasında dengelemek için ultra uzun şebeke bağlantılarının geliştirilmesinde de hayati öneme sahip olabilir ve güneş ile rüzgâr enerjisinin bazı sınırlamalarını giderebilir.

Kaynak: XOT Metals

Ancak, süperiletkenlik şu ana kadar yalnızca mutlak sıfırın birkaç derece üzerindeki aşırı düşük sıcaklıklarda veya çok yüksek basınçta çalışan malzemelerde elde edilebildi.

Bu durum, en zorlu uygulamalar (manyetik levitasyon, MRI vb.) için bile çok karmaşık olmasının yanı sıra çok maliyetli olmasına da yol açar; bu da süperiletken malzemelerden faydalanabilecek birçok uygulama için ekonomik olmamasına neden olur.

Süperiletkenliğe Birçok Yol

Artık yüksek basınçta üretilen malzemenin, basınç söndürme protokolü (PQP) adlı deneysel bir yöntem sayesinde daha düşük basınçta süperiletkenliğinin bir bölümünü koruyabileceği görülüyor.

Yakın zamanda WSe₂’nin bükülmüş çift katmanı (tungsten selenyum) da daha yüksek sıcaklıkta süperiletkenler için iyi bir malzeme adayı gibi görünüyor.

Dolayısıyla yıllarca süren yavaş ilerlemenin ardından, fizikçilerin tamamen yeni süperiletken malzemeler yaratma yollarını keşfetmeye başladığı görülüyor. Ve şimdi, nikel içeren yeni bir süperiletken ailesi listeye eklendi.

Shenzhen’deki Southern University of Science and Technology ve Tsinghua University’den Çinli araştırmacılar, çift katman nikelat süperiletkenlerinin mutlak sıfırın çok üzerindeki ve ortam basıncında elektrik akımını dirençsiz ilettiğini keşfettiler.¹

Araştırmacılar sonuçlarını, saygın bilim dergisi Nature’da “(La,Pr)3Ni2O7 filmlerinde 40 K üzerindeki ortam basıncında süperiletkenlik başlangıcı” başlığıyla yayımladı.

Çok Soğuk Olmayan Süperiletkenler

Yüksek sıcaklık süperiletkenliği, özellikle ortam basıncında ve oda sıcaklığında çalıştığı öne sürülen yeni bir süperiletken türü olan LK-99 (bakır katkılı kurşun apatit, CSLA) örneğiyle bir gün uygulanabilir hâle gelebilir.

Bu iddia hemen tartışmaya açıldı ve bir aldatmaca ya da ölçüm hatası olduğu gerekçesiyle eleştirildi; ancak daha sonra başka araştırmacılar gerçekten bir olgunun söz konusu olduğunu belirledi.

Ne var ki daha yüksek sıcaklıklarda çalışabilecek tek süperiletken sınıfı bu değildir.

Yakın zamanda iki seramik grubunun —bakır temelli kupratlar ve demir temelli pniktitler— ortam basıncında ve 150 K’ye (-123 °C / -189 °F) kadar çıkan sıcaklıklarda çalışan alışılmadık süperiletkenler olduğu keşfedildi.

Kaynak: Materials Today

Şimdi nikelatların da bu seramiklere katılarak daha yüksek sıcaklıklarda süperiletkenlik gösteren bir malzeme sınıfı oluşturduğu anlaşılıyor.

Bu sıcaklık hâlâ yüksek sayılmaz, ancak mevcut süperiletkenlerin gerektirdiği koşullardan çok daha kolay elde edilir. Örneğin ITER’in süperiletken mıknatıslarının, enerji tüketimi ve maliyeti yüksek bir işlemle sıvı helyum kullanılarak mutlak sıfıra yakın bir sıcaklığa soğutulması gerekecek.

Genel olarak bu bulgular, giderek daha fazla süperiletken türü keşfedilip denendiği için bu malzemelerin orta vadede çok daha yaygın hâle geleceğine işaret ediyor.

Süperiletken Nikelatları

Nikelatların süperiletkenlik potansiyeli, Hong Kong Şehir Üniversitesi fizikçilerinden Danfeng Li ve çalışma arkadaşı tarafından 2019’da keşfedildi. Başka bir ekip 2023’te nikelatların daha yüksek sıcaklıklarda, ancak yüksek basınç altında süperiletkenlik gösterdiğini kanıtladı.

Kaynak: Nature

Nikelatların kritik bir sıcaklıkta direncini kaybettiği ve manyetik alanları dışladığı ilk kez Aralık 2024’te gözlemlendi. Her iki özellik de süperiletkenliğe ilişkin güçlü kanıtlardır.

Bu sonucu elde etmek için La2.85Pr0.15Ni2O7 (lantan-praseodim-nikel) tek kristal filmleri, dev oksidatif atomik katman katman epitaksisi (GOALL-Epitaxy) adı verilen bir yöntemle büyütüldü. Aynı araştırma ekibinin geliştirdiği bu teknik, atom düzeyinde malzeme katmanları üretirken çok daha güçlü oksidasyon ve birkaç büyüklük mertebesi daha yüksek hassasiyet sağlıyor.

Kaynak: Research Gate

Nikel temelli bileşik, taramalı geçirimli elektron mikroskobu (STEM) görüntüleri ve X ışını karşılıklı uzay haritaları (RSM) dâhil gelişmiş analiz yöntemleriyle incelendi.

Analizler, nikel oksit katmanında uygun koşullar altında elektronların serbestçe akmasından sorumlu olabilecek tetragonal bir fazın ortaya çıktığını gösterdi.

Süperiletken Malzemeleri İyileştirme

Nikelatın özelliklerini iyileştirmek için ön denemede kullanılan yöntem daha da geliştirilebilir. Bu sayede süperiletkenlerin çalışma sıcaklığını yükseltmeyi amaçlayan çok sayıda yeni test yapılabilir.

“Kritik sıcaklığı zamanla yükseltebileceğimize ve bu tür malzemeleri uygulamalar için daha kullanışlı hâle getirebileceğimize dair büyük bir umut var.”

Danfeng Li — Hong Kong Şehir Üniversitesi fizikçisi.

Analiz, nikelatlara süperiletkenlik kazandıran sürecin bakırdan üretilen kupratları etkileyen sürece benzediğini gösteriyor.

“Bunu artırmak öncelikli hedefimiz. Ekip, malzemenin büyütülme biçimini ve tam bileşimini değiştirmek için çeşitli yöntemler deniyor.”

Zhuoyu Chen — SUSTech fizikçisi

Teoriden Önce Deneyler

Daha yüksek sıcaklıkta, hatta oda sıcaklığında çalışabilecek süperiletkenlere ilişkin son deneysel sonuçların bu alandaki kuramsal fiziğin önüne geçtiğini belirtmek gerekir.

Dolayısıyla bu mekanizmanın neden çalıştığı hâlâ büyük ölçüde bilinmiyor. Bu malzemelerin neden süperiletken olduğuna dair eksiksiz bir açıklama bulunmadığı gibi, hangi malzemenin bu özellikleri göstereceğini öngören bir yöntem de henüz yok.

Şimdiye kadar yüksek basınç ya da aşırı düşük sıcaklık gereksinimi bu malzemelerin incelenmesini ciddi ölçüde zorlaştırdı; çünkü süperiletkenlik yalnızca elmas örs hücresinde veya sıvı helyum içinde oluştuğunda deney yapmak güçleşiyordu.

Daha kolay sürdürülebilen koşullar, bilim insanlarına bu malzemeleri incelemek ve değiştirmek için çok daha geniş bir çalışma alanı sağlayacaktır.

Bu nedenle geliştirme için hâlâ geniş bir alan var. Yapay zekâ desteği de dâhil olmak üzere bu malzemelerin daha iyi anlaşılması, ilerlemenin hızlanmasına yardımcı olacaktır.

Bu gelişmeler daha fazla araştırmacıyı alana çekmeli ve şirketlerin araştırma-geliştirme bütçelerini bu projelere yöneltmesini sağlamalıdır; böylece ilerleme hızı artacaktır.

Gelecek Uygulamaları

Yüksek sıcaklık süperiletkenleri yeterince iyi anlaşılır ve büyük ölçekte üretilebilirse kısa sürede olağanüstü değerli bir malzemeye dönüşür.

İlk doğrudan etki; MRI cihazları, manyetik levitasyon trenleri, gelişmiş türbin ve jeneratörler, parçacık hızlandırıcıları ve deneysel füzyon reaktörleri gibi süperiletkenlikten hâlihazırda yararlanan ekipmanların maliyetini düşürmek olacaktır.

Ayrıca düşük sıcaklık süperiletkenlerinin teknik sınırlamaları nedeniyle bugüne kadar uygulanamayan ya da aşırı pahalı olan teknolojileri mümkün kılacaktır.

Bunlar arasında hyperloop trenleri, kütle sürücüleriyle yörüngeye erişim, ticari nükleer füzyon ve kıtalar arası elektrik şebekesi bağlantıları bulunuyor. Bunların her biri insan uygarlığının gidişatını kalıcı biçimde değiştirebilecek bir teknolojidir.

Süperiletkenlik Çözümlerinde Liderler

AMSC; elektrik şebekeleri, gemiler ve rüzgâr enerjisi için enerji çözümleri sağlayan bir şirkettir. Bir sistem ne kadar büyük ya da enerji yoğun olursa aşırı ısınmayı önlemek için süperiletken teknolojisine duyduğu ihtiyaç da genel olarak o kadar artar.

Adına rağmen AMSC yalnızca süperiletken sistemleri değil, örneğin rüzgâr türbinleri için dişli aktarma sistemleri de sunar.

Şirket; elektrifikasyon ve dijitalleşme eğilimlerinin (yapay zekâ veri merkezleri dâhil) yanı sıra ABD üretim kapasitesinin ülkeye geri taşınmasından ve artan jeopolitik riskler karşısında İngilizce konuşan ülkelerin donanmalarını modernize etme ihtiyacından yararlanıyor.

Kaynak: American Superconductor Corporation

Elektrik tedariki bölümünde AMSC’nin siparişleri istikrarlı biçimde arttı. Bunu; şebeke dalgalanmalarına karşı korunmak isteyen yarı iletken fabrikaları, yenilenebilir enerjinin kesintili üretimini dengeleyen şebeke çözümleri ve sanayi tesislerine yönelik güç ve kontrol sistemleri destekledi.

Kaynak: American Superconductor Corporation

Rüzgâr türbini bölümünde AMSC ağırlıklı olarak Elektrik Kontrol Sistemleri (ECS) alanında faaliyet gösteriyor. ECS geçmişte 2 MW’lık türbinlerde şirketin güçlü bir iş koluydu, ancak zamanla geriledi. AMSC, özellikle Hindistan pazarını hedefleyen yeni 3 MW’lık türbin tasarımıyla yeniden büyümeyi amaçlıyor.

Kaynak: American Superconductor Corporation

AMSC, askerî gemiler için “AMSC Yüksek Sıcaklık Süperiletkenli Manyetik Mayın Karşı Tedbir Sistemi”ni sunuyor. Sistem, gemileri deniz mayınlarından korumak amacıyla manyetik izlerini değiştiriyor. ABD, Kanada ve Birleşik Krallık donanmalarına satılan sistem bugüne kadar 75 milyon dolarlık sipariş aldı.

Genel olarak AMSC, günümüzde uygulanabilir niş alanlarda süperiletken teknolojisinden yararlanma konusunda başarılıdır ve gelecekteki ilerlemeleri kullanıma almaya hazır görünmektedir. Yatırımcılar ayrıca hissenin geçmişte aşırı oynaklık yaşadığını dikkate almalı ve risklerini buna göre hesaplamalıdır.

American Superconductor Corporation Hakkında Son Haberler

Çalışma Referansı:

^{1.Zhou, G., Lv, W., Wang, H. et al.(2025) 40 K üzerindeki ortam basıncında süperiletkenlik başlangıcı (La,Pr)3Ni2O7 Nature. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08755-z}