Bükülmüş İkili Katman WSe₂: Yeni Bir Grafen Rakibi?

Yeni Bir Süperiletken Malzeme

Superconductivity is a phenomenon that, if mastered at scale and low cost, would revolutionize human civilization. This is because, for most high-tech applications, the levels of power or magnetic field required can only be handled by superconducting materials, with any electric resistance leading to excessive overheating.

Uzun süredir sorun, bilinen neredeyse tüm süperiletken malzemelerin yalnızca çok düşük sıcaklıklarda, genellikle 4°K (mutlak sıfırın sadece 4 derece üzeri) civarında bulunabilmesidir.

Bu durum, süperiletkenliği yalnızca sıvı helyumla birleştirildiğinde uygulanabilir kılar; sıvı helyum, çok enerji yoğun bir süreçle üretmesi son derece zor bir soğutma sıvısıdır.

Uzun bir süre boyunca, karbonun 2B tek katmanı olan grafen, daha pratik süperiletkenlik için iyi bir aday olarak görülmüştür.

Ancak, grafeni umut verici kılan özelliklerin tungsten gibi diğer malzemelere de uygulanabileceği ve yeni bir süperiletken malzeme arayışını açtığı görülüyor. Bu keşif, Columbia Üniversitesi, Tennessee Üniversitesi ve Japonya Ulusal Malzeme Bilimi Enstitüsü’ndeki araştırmacıların çalışmalarının sonucudur. Sonuçlarını prestijli Nature¹ dergisinde “5.0° bükülmüş ikili katman WSe2’de Süperiletkenlik” başlığıyla yayınladılar.

Süperiletkenliğin Vaatleri

Daha ucuz ve daha yüksek sıcaklıklarda çalışan süperiletken malzemeler, teknolojinin olası uygulamalarını tamamen değiştirecektir. Bu, sıvı azot gibi soğutma yöntemlerinin ya da mRNA aşılarını saklayan dondurucularda kullanılan soğutma teknolojisinin, daha enerji yoğun alternatiflerin yerini almasını sağlayabilir.
Yüksek sıcaklıkta süperiletkenlerin mümkün kılacağı şeylerden bazıları şunlardır:

• Daha İyi MRI, daha yüksek çözünürlük ve daha düşük inşa ve işletme maliyeti ile, çok daha rutin bir tıbbi muayene haline gelmesini sağlar.
• Elektromanyetik itiş sürücü sistemleri (aynı zamanda magnetohidrodinamik (MHD) sürücüler olarak da adlandırılır) deniz suyunu elektriklendirecek şekilde gemileri iteler.
• Daha güçlü ve verimli elektrik motorları.
• Daha yüksek yoğunluklu ve daha güvenli piller, Süperiletken Manyetik Enerji Depolama (SMES) ile.
• Süperiletken sınırlayıcılar, anahtarlar ve sigortalar elektrik şebeke altyapısını iyileştirmek için.
• Kayıpsız uzun mesafe güç iletimi, örneğin, güneş panellerinin hâlâ güneşte olduğu bir yerde üretilen enerjinin binlerce kilometre uzaktaki bir şehri beslemesi gibi yenilenebilir enerji verimliliğini artırabilir.
• Daha ucuz ve bakım kolaylığı sağlayan manyetik levitasyonlu trenler ve ileride Hyperloop sistemleri.
• Algılayıcılar/magnetometreler (Süperiletken Kuantum Girişim Cihazları – SQUID’ler) endüstriyel ortamlarda kullanım için.
• Süperiletken kuantum hesaplama
  • (kuantum hesaplama ilerlemesi hakkında daha fazla bilgiye “Kuantum Hesaplamanın Güncel Durumu” makalemizden ulaşabilirsiniz).
• Savunma & Uzay uygulamaları, radyasyon kalkanları, elektromanyetik fırlatmalar, manyetik rulmanlar, algılayıcılar, ray silahları, bobin silahları, lazerler ve diğer enerji silahları dahil.

Yüksek sıcaklıkta süperiletkenliğin bakırla değiştirilmiş kurşun apatit (CSLA) ile elde edilebileceği olasıdır, ancak bu iddia, bu alanda uzman bilim insanları tarafından hâlâ yoğun bir şekilde tartışılmaktadır, birkaç yıl sonra.

Grafen Süperiletkenliği

Grafen, basit bir katmanda olağanüstü verimli bir elektrik iletkeni iken, “bükülmüş ikili katman” şeklinde şekillendirildiğinde süperiletken hâle gelebilir. Bu, iki katmanın hafifçe hizalanmadığı, 1.1° farkla, grafen için sihirli açı olarak görülen durumdur.
Kasım 2024’te, matematiksel olarak böyle bir ikili katmanın 60°K (-213°C / -351 °F) kadar yüksek sıcaklıklarda süperiletken kalabileceği gösterildi.
2020’den beri, benzer bir özellik gösterdiği düşünülen başka bir malzeme: tungsten-selenyum (WSe₂).

Kaynak: Max Planck Institute

Tungsten Selenyum Süperiletkenliği

Şimdiye kadar, süperiletkenlikle ilişkili fenomenler, sözde geçiş metalik dikalkojenler (TMD’ler) sınıfına ait birçok malzemede tespit edilmiştir.
Bununla birlikte, yeni araştırma kesin olarak 5.0° (katmanlar arasındaki açı farkı, sıcaklık değil) bükülmüş ikili katman WSe2’de süperiletkenliği doğrulamaktadır.
Bu, deneyde (426 milliKelvin) düşük sıcaklıklarda özellikle güçlüydü, ancak yine de ikili katman süperiletkenliğinin grafen dışındaki diğer katmanlı malzemelerle de gerçekleştirilebileceğini göstermektedir.
Bükülmüş ikili katman WSe2, düşük sıcaklıklarda süperiletken ve manyetik fazlar arasında keskin bir sınır da gösterdi; bu, süperiletken olmasının temel mekanizmalarını açıklayabilir.

Grafenden Daha İyi mi?

Eğer TMD malzemeleri süperiletken olabilirse, aslında grafenden daha üstün olabilirler.
Bunun nedeni, TMD malzemelerinin grafende bulunmayan, doğal bir bant boşluğu, büyük spin-yörünge etkileşimi, spin-vadi kilitlemesi ve manyetizma gibi birçok arzu edilen özelliği de sergilemesidir.
Bu bağlamda, bu durum, kagome malzemeleri gibi başka bir gelişmiş meta-madde türüne benzemektedir; bu malzemeler de süperiletkenliği manyetizmayla birlikte gösterir, oysa genellikle bu iki fenomen aynı anda gerçekleşmez.
Genel olarak, süperiletkenlik alanının çok hızlı bir ilerleme kaydettiği ve disiplinin daha önceki neyin mümkün olduğu ve neyin olmadığı konusundaki varsayımlarını yıktığı görülüyor.

Tungsten Şirketi

Eğer tungsten ikili katmanları süperiletken olduğu kanıtlanırsa, bu ultra sert metal için, zaten birçok askeri uygulama, yarı iletken endüstrisi ve ileri üretimde kullanılan önemli bir ek kullanım durumu olacaktır.
Tungsten için yatırım durumunu, Ekim 2024 raporu “Tungsten – Gizli Yüksek Teknoloji Metalı” içinde ayrıntılı olarak ele aldık.
O zamandan beri, Çin tungsten ihracatına kısıtlamalar getirdi; bu metalin %80’i Çin tarafından üretiliyor. Bu durum, Batı endüstrilerine Çin tedarik zincirinden bağımsız olarak tedarik sağlayabilecek çok az şirket kalmasına yol açtı.

Almonty Industries