Flache Bänder in Kagome-Metallen könnten zukünftige Supraleiter freisetzen

Neue Fortschritte bei Kagome-Supraleitern

Supraleiter sind Materialien, die Strom ohne Widerstand leiten. Bisher funktionierten sie jedoch nur unter extremen Bedingungen. Kagome-Metalle könnten das ändern.“
Dies erdet Leser, die möglicherweise keine Ahnung von Physik haben.

Im November 2024 diskutierten wir über eine Neues Material für neue magnetische Theorien, entwickelt von Forschern der Rice University.

Diese Entdeckung wurde gebaut auf eine Veröffentlichung im Jahr 2022, in dem Forscher entdeckten, dass „Kagome-Material”, eine Art metallischer Kristall, weist überraschende magnetische Eigenschaften.

Der Name geht auf das im traditionellen japanischen Kunsthandwerk verwendete Kagome-Webmuster zurück, eine dreieckige Fliesentechnik mit überlappenden Dreiecken und großen sechseckigen Hohlräumen.

Quelle: Forschung Tor

In ähnlicher Weise sind Kagome-Materialien, wie beispielsweise magnetische Eisen-Germanium-Kristalle, auf atomarer Ebene in diesem Muster angeordnet.

Ein weiteres chrombasiertes Kagome-Metall, CsCr₃Sb₅ (Cäsium-Chrom-Antimon), scheint ein enormes Potenzial für zukünftige Elektronikkomponenten zu haben, darunter Supraleiter, topologische Isolatoren und spinbasierte Elektronik, so die neueste Arbeit von Forschern der Rice University, die in Nature Communications veröffentlicht wurde.¹, unter dem Titel "Spinanregungen und flache elektronische Bänder in einem Cr-basierten Kagome-Supraleiter".

Magnetische und elektronische Eigenschaften von Kagome-Materialien

Bereits 2022 wurden einzigartige Eigenschaften des Kagome-Materials festgestellt:

• Magnetische Effekte erfordern, dass Elektronen um die Kagome-Dreiecke fließen, ähnlich wie bei der Supraleitung.
  • Obwohl diese magnetischen und Ladungsdichtewelleneffekte keine Supraleitung im herkömmlichen Sinne darstellen, haben Forscher bestätigt, dass solche Phänomene in Kagome-Materialien auch bei Raumtemperatur und Normaldruck bestehen bleiben können. Dies macht sie zu einem wertvollen Schritt auf dem Weg zur Entdeckung von Hochtemperatur-Supraleitern.
• Die Anwesenheit eines „Ladungsdichtewelle“, bei der die Elektronen miteinander „verschmelzen“ und eine gemeinsame Welle bilden, die gemeinsam einen elektrischen Strom transportiert.
  • Anders als bei „normaler“ Supraleitung kommt es hier eher in Form von Spitzen, wie Wasser, das aus einem Wasserhahn tropft, als in Form eines kontinuierlichen Elektronenflusses.
• Obwohl sie Ladungsdichtewellen aufweisen, weisen Kagome-Materialien auch magnetische Eigenschaften auf, die normalerweise zwei inkompatible Eigenschaften sind.

Insgesamt könnte die sehr organisierte Natur der Kagome-Materialien die Untersuchung von Phänomenen an der äußersten Grenze unseres Verständnisses des Elektromagnetismus erleichtern, wie zum Beispiel „unkonventionelle Supraleitung" oder "die ständigen Schwankungen zwischen magnetischen Zuständen in Quantenspinflüssigkeiten".

Herstellung eines Kagome-Supraleiters

Flaches Band Elektronen 

Flachbandelektronen sind Elektronen in einem speziellen Typ von Elektronenenergieband, das eine konstante Energie oder „flache“ Dispersion aufweist, was bedeutet, dass Elektronen unabhängig von ihrem Impuls die gleiche kinetische Energie haben.

Weniger technisch ausgedrückt bedeutet dies einen superdichten Zustand, in dem sich Elektronen wie Supraleiter verhalten können, jedoch ohne die üblichen Voraussetzungen für Supraleitung (ultrakalt oder ultrahoher Druck).

Bisher war es schwierig, Kagome-Gitter zu stabilisieren, um flache Bänder auf das erforderliche Energieniveau zu bringen. Bis CsCr₃Sb₅ verwendet wurde.

„Unsere Ergebnisse bestätigen eine überraschende theoretische Vorhersage und eröffnen einen Weg zur Entwicklung exotischer Supraleitung durch chemische und strukturelle Kontrolle.“

Pengcheng Dai - Rices Fakultät für Physik und Astronomie

Den richtigen Kristall bauen

CsCr₃Sb₅ kristallisiert natürlicherweise in einem geschichteten hexagonalen Gitter.

Quelle: Nature Communications veröffentlicht

Um den Effekt jedoch im großen Maßstab zu beobachten und ein Material zu erhalten, das für spätere kommerzielle Anwendungen nützlich sein wird, war ein viel größerer Kristall erforderlich.

Durch die Verfeinerung ihrer bisherigen Methoden gelang es den Forschern, 100-mal größere Proben herzustellen als bisher.

ARPES- und RIXS-Analyse des Kagome-Supraleiters CsCr₃Sb₅

Um die elektronische Struktur von CsCr3Sb5 sichtbar zu machen, verwendeten die Forscher eine Technik namens ARPES (winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie). Dabei wird eine Karte des Elektrons unter dem Licht eines Teilchenbeschleunigers (Synchrotron) erstellt.

Quelle: Nature Communications veröffentlicht

Es wurden eindeutige Signaturen im Zusammenhang mit kompakten Molekülorbitalen, einem Zeichen für flache elektronische Bänder, festgestellt und bestätigt, dass alle Polarisationsgeometrien zur Bildung flacher Bänder beitragen.

„Die ARPES- und RIXS-Ergebnisse unseres gemeinsamen Teams vermitteln ein einheitliches Bild davon, dass Flachbänder hier keine passiven Zuschauer, sondern aktive Teilnehmer bei der Gestaltung der magnetischen und elektronischen Landschaft sind.

Qimiao Si - Rices Fakultät für Physik und Astronomie

Anschließend verwendeten sie RIXS (resonante inelastische Röntgenstreuung), um die magnetischen Anregungszustände zu messen.

Auch dies bestätigte das Vorhandensein flacher Bänder, unabhängig von den Ergebnissen von ARPES.

Quelle: Nature Communications veröffentlicht

Temperatureffekte auf das Kagome-Supraleitungspotential

Anschließend überprüften die Wissenschaftler die Auswirkungen von Temperaturschwankungen auf die Eigenschaften dieses neuen Materials.

Im Gegensatz zu anderen potentiellen supraleitenden Materialien waren die Eigenschaften bei 140°K (-133°C / -207°F) als bei 10°K (-263°C / -441°F).

Quelle: Nature Communications veröffentlicht

Insgesamt wurde durch diese Experimente nicht nur ein sehr vielversprechendes neues Material identifiziert, sondern auch gezeigt, dass die Gittergeometrie in direktem Zusammenhang mit emergenten Quantenzuständen steht.

„Durch die Identifizierung aktiver flacher Bänder haben wir einen direkten Zusammenhang zwischen Gittergeometrie und emergenten Quantenzuständen nachgewiesen“,

Ming Yi - Reis Partnerschaftsräte PProfessor von PPhysik und AAstronomie.

Mögliche Anwendungen

Die Zustandsdichte der flachen Bänder liegt auf Energieniveaus nahe einem quantenkritischen Punkt, was möglicherweise Supraleitung ermöglicht.

Dies stellt auch eine Verbesserung gegenüber dem vorherigen Kagome-Metallgitter dar, da Kagome-Flachbänder eine hohe Zustandsdichte über einen viel größeren Teil des Materials hinweg bieten.

CsCr3Sb5 unterdrückt auch die in anderen Kagome-Materialien beobachtete Dichtewelle und verbessert so sein Supraleitungspotenzial weiter.

Ein Hoch- oder Raumtemperatur-Kagome-Supraleiter wäre revolutionär für Quantencomputer, Spintronik-Elektronikkomponenten (Elektronik mit niedrigem Energieverbrauch) und topologische Materialien (ähnlich dem neuen Zustand der Materie, der von Microsoft entwickelt wurde (MSFT -2.55 %) Quantencomputing-Team).

Es könnte auch Potenzial als „einfacher“ Hochtemperatur-Supraleiter haben, der in der Magnetschwebebahn, der Militärtechnik und der Stromerzeugung eingesetzt werden könnte.

Zum Scrollen wischen →

Führend bei Supraleitungslösungen

American Supraleiter Corporation

AMSC ist ein Unternehmen, das Energielösungen für das Stromnetz, Schiffe und Windenergie anbietet. Generell gilt: Je stromhungriger oder massiver ein System ist, desto mehr supraleitende Technologie ist erforderlich, um eine Überhitzung zu vermeiden.

Trotz seines Namens bietet ASMC nicht nur Supraleitersysteme an, sondern beispielsweise auch Getriebeantriebe für Windkraftanlagen.

Das Unternehmen profitiert von mehreren Wachstumstreibern, vom Trend zur Elektrifizierung und Digitalisierung (einschließlich KI-Rechenzentren), aber auch von der Rückverlagerung der US-Produktionskapazitäten und der Notwendigkeit einer Modernisierung der Marinen der englischsprachigen Welt als Reaktion auf wachsende geopolitische Risiken.

Quelle: American Supraleiter Corporation

Im Bereich der Stromversorgung verzeichnete AMSC einen stetigen Anstieg der Bestellungen. Dies ist auf Halbleiterfabriken zurückzuführen, die sich vor Schwankungen im Stromnetz schützen möchten, um das Netz bei der schwankenden Verfügbarkeit erneuerbarer Energien zu unterstützen, sowie auf Stromversorgung und Steuerungen an Industriestandorten.

Im Windturbinensegment ist AMSC vor allem mit seinem elektrischen Steuerungssystem (ECS) aktiv. Historisch gesehen war ESC mit seinen 2-MW-Windturbinen ein starkes Segment für das Unternehmen, dessen Bedeutung jedoch zunehmend zurückging. AMSC strebt dank des neuen 3-MW-Turbinendesigns eine Erholung an, wobei der Schwerpunkt auf dem indischen Markt liegt.

Quelle: American Supraleiter Corporation

Für Militärschiffe bietet ASMC die „AMSC's High Temperature Superconductor Magnetic Mine Countermeasure“ an, ein System zur Veränderung der magnetischen Signatur von Schiffen, um sie vor Seeminen zu schützen. Dieses System wird an die Marinen der USA, Kanadas und Großbritanniens verkauft; die Bestellungen liegen bisher bei 75 Millionen US-Dollar.

Insgesamt profitiert ASMC von der Nutzung der Supraleitertechnologie in Nischenanwendungen, die heute bereits rentabel sind, und ist voraussichtlich bereit, in Zukunft weitere Fortschritte zu erzielen. Anleger sollten zudem beachten, dass die Aktie in der Vergangenheit extremen Schwankungen ausgesetzt war und die Risiken entsprechend kalkulieren.

Aktuelle Aktiennachrichten und Entwicklungen zur American Superconductor Corporation (AMSC)

Zitierte Studie

^{1. Wang, Z., Guo, Y., Huang, HY. et al. Spinanregungen und flache elektronische Bänder in einem Cr-basierten Kagome-Supraleiter. Nature Communications 16, 7573 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62298-5}