Οι επίπεδες ζώνες στα μέταλλα Kagome μπορεί να ξεκλειδώσουν μελλοντικούς υπεραγωγούς

Νέα πρόοδος στους υπεραγωγούς Kagome

Οι υπεραγωγοί είναι υλικά που μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα χωρίς αντίσταση, αλλά μέχρι τώρα, λειτουργούσαν μόνο υπό ακραίες συνθήκες. Τα μέταλλα Kagome μπορεί να το αλλάξουν αυτό.
Αυτό απευθύνεται σε αναγνώστες που μπορεί να μην είναι γνώστες της φυσικής.

Τον Νοέμβριο του 2024, συζητήσαμε ένα νέο υλικό για νέες μαγνητικές θεωρίες, που αναπτύχθηκε από ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Rice.

Αυτή η ανακάλυψη δημιουργήθηκε επάνω σε μια δημοσίευση του 2022, στην οποία οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι «υλικό καγκόμε», ένα είδος μεταλλικού κρυστάλλου, παρουσιάζει εκπληκτικές μαγνητικές ιδιότητες.

Πήρε το όνομά του από το μοτίβο ύφανσης kagome που χρησιμοποιείται στην παραδοσιακή ιαπωνική χειροτεχνία, ή τριεξάγωνα πλακάκια, με επικαλυπτόμενα τρίγωνα και μεγάλα εξαγωνικά κενά.

Πηγή: Πύλη Έρευνας

Με παρόμοιο τρόπο, τα υλικά kagome, όπως για παράδειγμα οι μαγνητικοί κρύσταλλοι σιδήρου-γερμανίου, οργανώνονται με αυτό το μοτίβο σε ατομικό επίπεδο.

Ένα άλλο μέταλλο καγκόμης με βάση το χρώμιο, το CsCr₃Sb₅ (καίσιο-χρώμιο-αντιμόνιο), φαίνεται να έχει τεράστιες δυνατότητες για μελλοντικά ηλεκτρονικά εξαρτήματα, συμπεριλαμβανομένων υπεραγωγών, τοπολογικών μονωτών και ηλεκτρονικών που βασίζονται στο σπιν, σύμφωνα με την τελευταία δημοσίευση ερευνητών του Πανεπιστημίου Rice στο Nature Communications.¹, υπό τον τίτλο "Διεγέρσεις σπιν και επίπεδες ηλεκτρονικές ζώνες σε υπεραγωγό kagome με βάση το χρώμιο".

Μαγνητικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες των υλικών Kagome

Ήδη το 2022, είχαν παρατηρηθεί μοναδικές ιδιότητες του υλικού kagome:

• Τα μαγνητικά φαινόμενα απαιτούν τα ηλεκτρόνια να ρέουν γύρω από τα τρίγωνα kagome, παρόμοια με την υπεραγωγιμότητα.
  • Αν και αυτά τα μαγνητικά φαινόμενα και τα φαινόμενα κύματος πυκνότητας φορτίου δεν αποτελούν υπεραγωγιμότητα με τη συμβατική έννοια, οι ερευνητές έχουν επιβεβαιώσει ότι τέτοια φαινόμενα σε υλικά kagome μπορούν να επιμένουν ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου και σε συνθήκες κανονικής πίεσης. Αυτό τα καθιστά πολύτιμα εφαλτήρια για την ανακάλυψη υπεραγωγών υψηλότερης θερμοκρασίας.
• Η παρουσία ενός «κύμα πυκνότητας φορτίου», όπου τα ηλεκτρόνια «συγχωνεύονται» μεταξύ τους σε ένα συλλογικό κύμα, μεταφέροντας συλλογικά ένα ηλεκτρικό ρεύμα.
  • Σε αντίθεση με την «κανονική» υπεραγωγιμότητα, αυτή εμφανίζεται σε αιχμές, όπως το νερό που στάζει από μια βρύση, περισσότερο από μια συνεχή ροή ηλεκτρονίων.
• Παρά την εμφάνιση κυμάτων πυκνότητας φορτίου, τα υλικά kagome εμφανίζουν επίσης μαγνητικές ιδιότητες, οι οποίες συνήθως είναι 2 ασύμβατες ιδιότητες.

Συνολικά, η πολύ οργανωμένη φύση των υλικών kagome θα μπορούσε να διευκολύνει τη μελέτη φαινομένων που βρίσκονται στα όρια της κατανόησής μας για τον ηλεκτρομαγνητισμό, όπως «αντισυμβατική υπεραγωγιμότητα"Ή"οι συνεχείς διακυμάνσεις μεταξύ μαγνητικών καταστάσεων σε υγρά κβαντικής σπιν".

Κατασκευή ενός υπεραγωγού Kagome

Επίπεδη ζώνη Ηλεκτρονίων 

Επίπεδη ζώνη ηλεκτρονίων είναι ηλεκτρόνια σε έναν ειδικό τύπο ζώνης ενέργειας ηλεκτρονίων που έχει σταθερή ενέργεια ή «επίπεδη» διασπορά, που σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια έχουν την ίδια κινητική ενέργεια ανεξάρτητα από την ορμή τους.

Λιγότερο τεχνικά, αυτό σημαίνει μια υπερπυκνή κατάσταση, όπου τα ηλεκτρόνια μπορούν να συμπεριφέρονται σαν υπεραγωγοί, αλλά χωρίς τις συνήθεις προϋποθέσεις για υπεραγωγιμότητα (υπερψυχρή ή εξαιρετικά υψηλή πίεση).

Μέχρι στιγμής, η σταθεροποίηση των πλεγμάτων kagome για την επίτευξη του απαιτούμενου ενεργειακού επιπέδου στις επίπεδες ζώνες ήταν δύσκολο να επιτευχθεί. Μέχρι τη χρήση του CsCr₃Sb₅.

«Τα αποτελέσματά μας επιβεβαιώνουν μια εκπληκτική θεωρητική πρόβλεψη και καθιερώνουν μια πορεία για την κατασκευή εξωτικής υπεραγωγιμότητας μέσω χημικού και δομικού ελέγχου»,

Πενγκτσένγκ Ντάι - Τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας του Πανεπιστημίου Ράις

Κατασκευή του σωστού κρυστάλλου

Το CsCr₃Sb₅ κρυσταλλώνεται φυσικά σε ένα πολυεπίπεδο εξαγωνικό πλέγμα.

Πηγή: Nature Communications

Ωστόσο, για να παρατηρηθεί το φαινόμενο σε κλίμακα και να δημιουργηθεί ένα υλικό που θα είναι χρήσιμο για μεταγενέστερες εμπορικές εφαρμογές, απαιτήθηκε ένας πολύ μεγαλύτερος κρύσταλλος.

Βελτιώνοντας τις προηγούμενες μεθόδους τους, οι ερευνητές κατάφεραν να παράγουν δείγματα 100 φορές μεγαλύτερα από ό,τι στο παρελθόν.

Ανάλυση ARPES και RIXS του υπεραγωγού CsCr₃Sb₅ του Kagome

Για να απεικονίσουν την ηλεκτρονική δομή του CsCr3Sb5, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια τεχνική που ονομάζεται ARPES (φασματοσκοπία φωτοεκπομπής με γωνία ανάλυσης). Δημιουργεί έναν χάρτη του ηλεκτρονίου υπό το φως που παράγεται από έναν επιταχυντή σωματιδίων (συγχρότρον).

Πηγή: Nature Communications

Αποκάλυψε διακριτές υπογραφές που σχετίζονται με συμπαγή μοριακά τροχιακά, ένα σημάδι ηλεκτρονικών επίπεδων ζωνών, και επιβεβαίωσε ότι όλες οι γεωμετρίες πόλωσης συμβάλλουν στο σχηματισμό επίπεδων ζωνών.

«Τα αποτελέσματα ARPES και RIXS της συνεργατικής μας ομάδας δίνουν μια συνεπή εικόνα ότι οι επίπεδες ζώνες εδώ δεν είναι παθητικοί θεατές αλλά ενεργοί συμμετέχοντες στη διαμόρφωση του μαγνητικού και ηλεκτρονικού τοπίου.»

Qimiao Si - Τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας του Πανεπιστημίου Ράις

Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν το RIXS (συντονιστική ανελαστική σκέδαση ακτίνων Χ) για να μετρήσουν τις καταστάσεις μαγνητικής διέγερσης.

Αυτό επίσης επιβεβαίωσε την παρουσία επίπεδων ζωνών, ανεξάρτητα από τα αποτελέσματα του ARPES.

Πηγή: Nature Communications

Επιδράσεις της θερμοκρασίας στο δυναμικό υπεραγωγιμότητας Kagome

Στη συνέχεια, οι επιστήμονες έλεγξαν την επίδραση της μεταβολής της θερμοκρασίας στις ιδιότητες αυτού του νέου υλικού.

Σε αντίθεση με άλλα πιθανά υπεραγώγιμα υλικά, οι ιδιότητες ήταν καλύτερες στους 140°C.°Κ (-133°C / -207°F) από ό,τι στις 10°Κ (-263°C / -441°ΦΑ).

Πηγή: Nature Communications

Συνολικά, αυτά τα πειράματα όχι μόνο αναγνώρισαν ένα πολύ πολλά υποσχόμενο νέο υλικό, αλλά απέδειξαν επίσης ότι η γεωμετρία του πλέγματος συνδέεται άμεσα με τις αναδυόμενες κβαντικές καταστάσεις.

«Αναγνωρίζοντας ενεργές επίπεδες ζώνες, έχουμε καταδείξει μια άμεση σύνδεση μεταξύ της γεωμετρίας του πλέγματος και των αναδυόμενων κβαντικών καταστάσεων»,

Μινγκ Γι - Ράις Συνεργάτης Pκαθηγητής του Pφυσική και Aστρονομία.

Πιθανές εφαρμογές

Η πυκνότητα των καταστάσεων από τις επίπεδες ζώνες βρίσκεται στα ενεργειακά επίπεδα κοντά σε ένα κβαντικό κρίσιμο σημείο, γεγονός που ενδεχομένως επιτρέπει την υπεραγωγιμότητα.

Αυτό αποτελεί επίσης μια βελτίωση σε σχέση με το προηγούμενο μεταλλικό πλέγμα kagome, καθώς οι επίπεδες ζώνες kagome παρέχουν υψηλή πυκνότητα καταστάσεων σε ένα πολύ μεγαλύτερο τμήμα του υλικού.

Το CsCr3Sb5 καταστέλλει επίσης το κύμα πυκνότητας που παρατηρείται σε άλλα υλικά kagome, βελτιώνοντας περαιτέρω το δυναμικό υπεραγωγιμότητάς του.

Ένας υπεραγωγός kagome υψηλής ή θερμοκρασίας δωματίου θα ήταν επαναστατικός για την κβαντική υπολογιστική, τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα σπιντρονικής (ηλεκτρονικά χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας) και τα τοπολογικά υλικά (παρόμοια με τη νέα κατάσταση της ύλης που ανέπτυξε η Microsoft (MSFT + 0.52%) ομάδα κβαντικής πληροφορικής).

Θα μπορούσε επίσης να έχει δυνατότητες ως «απλώς» ένας υπεραγωγός υψηλής θερμοκρασίας, ο οποίος θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε μαγνητικές βολές, στρατιωτική τεχνολογία και παραγωγή ενέργειας.

Σύρετε για κύλιση →

Ηγέτες στις λύσεις υπεραγωγιμότητας

American Superconductor Corporation

Η AMSC είναι μια εταιρεία που παρέχει ενεργειακές λύσεις για το ηλεκτρικό δίκτυο, τα πλοία και την αιολική ενέργεια. Γενικά, όσο πιο ενεργοβόρο ή ογκώδες είναι ένα σύστημα, τόσο περισσότερο απαιτεί υπεραγώγιμη τεχνολογία για να αποφευχθεί η υπερθέρμανση.

Παρά το όνομά της, η ASMC παρέχει όχι μόνο συστήματα υπεραγωγών αλλά και, για παράδειγμα, συστήματα μετάδοσης κίνησης για ανεμογεννήτριες.

Η εταιρεία αξιοποιεί πολλαπλούς παράγοντες ανάπτυξης, από την τάση της ηλεκτροκίνησης και της ψηφιοποίησης (συμπεριλαμβανομένων των κέντρων δεδομένων τεχνητής νοημοσύνης), αλλά και την επαναξιοποίηση των παραγωγικών δυνατοτήτων των ΗΠΑ και την ανάγκη εκσυγχρονισμού των Ναυτικών της Αγγλόσφαιρας ως απάντηση στους αυξανόμενους γεωπολιτικούς κινδύνους.

Πηγή: American Superconductor Corporation

Στον τομέα του τροφοδοτικού, η AMSC έχει δει μια σταθερή αύξηση στις παραγγελίες. Αυτό οφείλεται σε εργοστάσια ημιαγωγών που προσπαθούσαν να προστατεύονται από τις διακυμάνσεις του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας, βοηθώντας το δίκτυο να αντιμετωπίσει τη διαλείπουσα φύση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και την παροχή ρεύματος και τους ελέγχους σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις.

Στον τομέα των ανεμογεννητριών, η AMSC δραστηριοποιείται κυρίως με το Ηλεκτρικό Σύστημα Ελέγχου (ECS). Ιστορικά, το ESC ήταν ένα ισχυρό τμήμα για την εταιρεία με τις ανεμογεννήτριες 2MW, αλλά έχει σταδιακά μειωθεί. Η AMSC στοχεύει σε ανάκαμψη χάρη στον νέο σχεδιασμό ανεμογεννητριών 3MW, με ιδιαίτερη έμφαση στην ινδική αγορά.

Πηγή: American Superconductor Corporation

Για τα στρατιωτικά πλοία, η ASMC παρέχει το «Υπεραγωγικό Μαγνητικό Αντιμέτρημα Ναρκών Υψηλής Θερμοκρασίας της AMSC», ένα σύστημα για την τροποποίηση της μαγνητικής υπογραφής των πλοίων για την προστασία τους από θαλάσσιες νάρκες. Αυτό πωλείται στο ναυτικό των ΗΠΑ, του Καναδά και του Ηνωμένου Βασιλείου, με παραγγελίες αξίας 75 εκατομμυρίων δολαρίων μέχρι στιγμής.

Συνολικά, η ASMC τα καταφέρνει καλύτερα με την αξιοποίηση της τεχνολογίας υπεραγωγών σε εξειδικευμένες εφαρμογές που είναι βιώσιμες σήμερα, ενώ πιθανότατα είναι έτοιμη να αναπτύξει περαιτέρω προόδους στο μέλλον. Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί από τους επενδυτές ότι η μετοχή έχει βιώσει ακραία αστάθεια στο παρελθόν και θα πρέπει να υπολογίσουν τους κινδύνους αναλόγως.

Τελευταία Νέα και Εξελίξεις της Αμερικανικής Εταιρείας Υπεραγωγών (AMSC)

Μελέτη στην οποία έγινε αναφορά

^{1. Wang, Z., Guo, Y., Huang, HY. et al. Διεγέρσεις σπιν και επίπεδες ηλεκτρονικές ζώνες σε υπεραγωγό kagome με βάση το χρώμιοNature Communications 16, 7573 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62298-5}