רצועות שטוחות במתכות קגומה עשויות לחשוף מוליכי-על עתידיים

התקדמות חדשה במוליכי-על קגומה

מוליכי-על הם חומרים הנושאים חשמל ללא התנגדות, אך עד כה הם פעלו רק בתנאים קיצוניים. מתכות קגומה עשויות לשנות זאת.
זה מקרקע קוראים שאולי אינם בקיאים בפיזיקה.

בנובמבר 2024, דנו ב חומר חדש לתאוריות מגנטיות חדשות, שפותח על ידי חוקרים באוניברסיטת רייס.

תגלית זו נבנתה על פרסום משנת 2022, שבו גילו חוקרים כי "חומר קגומה", סוג של גביש מתכתי, מציג תכונות מגנטיות מפתיעות.

הוא לוקח את שמו מתבנית אריגת הקגומה המשמשת במלאכה יפנית מסורתית, או ריצוף תלת-משושים, עם משולשים חופפים וחללים משושה גדולים.

מקור: שער מחקר

באופן דומה, חומרי קגומה, כמו, למשל, גבישי ברזל-גרמניום מגנטיים, מאורגנים בתבנית זו ברמה האטומית.

נראה כי מתכת קגומה נוספת מבוססת כרום, CsCr₃Sb₅ (צסיום-כרום-אנטימון), טומנת בחובה פוטנציאל עצום לרכיבי אלקטרוניקה עתידיים, כולל מוליכי-על, מבודדים טופולוגיים ואלקטרוניקה מבוססת ספין, כך עולה ממאמר האחרון של חוקרי אוניברסיטת רייס, שפורסם ב-Nature Communications.¹, תחת הכותרת "עירורי ספין ורצועות אלקטרוניות שטוחות במוליך-על קגומה מבוסס Cr".

תכונות מגנטיות ואלקטרוניות של חומרי קגומה

כבר בשנת 2022, הבחינו בתכונות הייחודיות של חומר הקגומה:

• השפעות מגנטיות מחייבות אלקטרונים לזרום סביב משולשי הקגומה, בדומה למוליכות-על.
  • למרות שאפקטים אלו של גלים מגנטיים וצפיפות מטען אינם מוליכות-על במובן המקובל, חוקרים אישרו שתופעות כאלה בחומרי קגומה יכולות להימשך גם בטמפרטורת החדר ובתנאי לחץ רגילים. זה הופך אותם לאבני קפיצה חשובות לקראת גילוי מוליכי-על בטמפרטורה גבוהה יותר.
• נוכחותו של "גל צפיפות המטען", שבו האלקטרונים "מתמזגים" זה בזה לגל קולקטיבי, הנושאים יחד זרם חשמלי.
  • בניגוד למוליכות-על "רגילה", היא מגיעה בקפיצות, כמו מים מטפטפים מברז, יותר מאשר זרימת אלקטרונים רציפה.
• למרות הצגת גלי צפיפות מטען, חומרים קגומה מציגים גם תכונות מגנטיות, שהן בדרך כלל שתי תכונות שאינן תואמות.

בסך הכל, האופי המאורגן מאוד של חומרי קגומה יכול להקל על חקר תופעות הנמצאות ממש בקצה הבנתנו את האלקטרומגנטיות, כמו "מוליכות על לא שגרתית"או"התנודות המתמשכות בין מצבים מגנטיים בנוזל ספין קוונטי".

יצירת מוליך-על קגומה

פס שטוח אלקטרונים 

אלקטרונים שטוחים הם אלקטרונים בסוג מיוחד של פס אנרגיית אלקטרונים בעל אנרגיה קבועה, או פיזור "שטוח", כלומר לאלקטרונים יש את אותה אנרגיה קינטית ללא קשר לתנע שלהם.

מבחינה פחות טכנית, משמעות הדבר היא מצב צפוף במיוחד, שבו אלקטרונים יכולים להתנהג כמו מוליכי-על, אך ללא התנאים המוקדמים הרגילים למוליכות-על (קור אולטרה, או לחץ אולטרה-גבוה).

עד כה, ייצוב סריגי קגומה כדי להביא פסים שטוחים לרמת האנרגיה הנדרשת היה קשה להשגה. עד שנעשה שימוש ב-CsCr₃Sb₅.

"התוצאות שלנו מאשרות תחזית תיאורטית מפתיעה ויוצרות מסלול להנדסת מוליכות-על אקזוטית באמצעות בקרה כימית ומבנית",

פנגצ'נג דאי - המחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה של רייס

בניית הקריסטל הנכון

CsCr₃Sb₅ מתגבש באופן טבעי בסריג משושה שכבתי.

מקור: תקשורת טבע

עם זאת, כדי להתבונן באפקט בקנה מידה גדול וליצור חומר שיהיה שימושי ליישומים מסחריים מאוחרים יותר, נדרש גביש גדול בהרבה.

באמצעות חידוד שיטותיהם הקודמות, הצליחו החוקרים לייצר דגימות גדולות פי 100 ממה שנעשו בעבר.

ניתוח ARPES ו-RIXS של מוליך-על קגומה CsCr₃Sb₅

כדי להמחיש את המבנה האלקטרוני של CsCr3Sb5, החוקרים השתמשו בטכניקה הנקראת ARPES (ספקטרוסקופיית פוטו-פליטה מבוססת זווית). היא יוצרת מפה של האלקטרון תחת אור הנוצר על ידי מאיץ חלקיקים (סינכרוטרון).

מקור: תקשורת טבע

הוא חשף חתימות ברורות הקשורות לאורביטלים מולקולריים קומפקטיים, סימן לפסים שטוחים אלקטרוניים, ואישר שכל גיאומטריות הקיטוב תורמות להיווצרות פסים שטוחים.

"תוצאות ARPES ו-RIXS של צוות המחקר השיתופי שלנו נותנות תמונה עקבית לפיה פסים שטוחים כאן אינם צופים פסיביים אלא משתתפים פעילים בעיצוב הנוף המגנטי והאלקטרוני."

קימיאו סי - המחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה של רייס

לאחר מכן הם השתמשו ב-RIXS (פיזור קרני רנטגן רזוננטי אינ-אלסטי) כדי למדוד את מצבי העירור המגנטי.

גם זה אישר את נוכחותם של פסים שטוחים, ללא תלות בתוצאות ARPES.

מקור: תקשורת טבע

השפעות טמפרטורה על פוטנציאל מוליכות-על של קגומה

לאחר מכן בדקו המדענים את השפעת שינויי הטמפרטורה על תכונות החומר החדש.

בניגוד לחומרים מוליכי-על פוטנציאליים אחרים, התכונות היו טובות יותר ב-140°ק (-133°ג / -207°ו) מאשר ב-10°ק (-263°ג / -441°F).

מקור: תקשורת טבע

בסך הכל, ניסויים אלה לא רק זיהו חומר חדש ומבטיח מאוד, אלא גם הדגימו כי הגיאומטריה של הסריג קשורה ישירות למצבים קוונטיים מתפתחים.

"על ידי זיהוי פסים שטוחים פעילים, הדגמנו קשר ישיר בין גיאומטריית הסריג לבין מצבים קוונטיים מתפתחים",

מינג יי - רייס'ס עמית Pרופס של Pפיזיקה ו Aסטרונומיה.

יישומים פוטנציאליים

צפיפות המצבים מהפסים השטוחים נמצאת ברמות האנרגיה הקרובות לנקודה קריטית קוונטית, מה שעשוי לאפשר מוליכות-על.

זהו גם שיפור לעומת סריג המתכת הקגומה הקודם, שכן רצועות שטוחות של קגומה מספקות צפיפות גבוהה של מצבים על פני חלק גדול בהרבה של החומר.

CsCr3Sb5 גם מדכא את גל הצפיפות שנצפה בחומרים קגומה אחרים, ומשפר עוד יותר את פוטנציאל מוליכות-העל שלו.

מוליך-על קגומה בטמפרטורת חדר או גבוהה יהיה מהפכני עבור מחשוב קוונטי, רכיבי אלקטרוניקה ספינטרוניקה (אלקטרוניקה בעלת צריכת אנרגיה נמוכה) וחומרים טופולוגיים (בדומה למצב החומר החדש שפותח על ידי מיקרוסופט (MSFT +% 0.52) צוות מחשוב קוונטי).

יכול להיות שהוא גם בעל פוטנציאל כ"סתם" מוליך-על בטמפרטורה גבוהה, שיהיה שמיש במגלב, טכנולוגיה צבאית ובייצור חשמל.

החלק כדי לגלול →

מובילים בפתרונות מוליכות-על

תאגיד מוליכים-על אמריקאי

AMSC היא חברה המספקת פתרונות אנרגיה עבור רשת החשמל, ספינות ואנרגיית רוח. באופן כללי, ככל שמערכת זוללת יותר חשמל או מאסיבית יותר, כך היא דורשת יותר טכנולוגיית מוליכות על כדי למנוע התחממות יתר.

למרות שמה, ASMC מספקת לא רק מערכות מוליכים-על אלא גם, למשל, מערכות הנעה של גלגלי שיניים לטורבינות רוח.

החברה רוכבת על מספר מניעי צמיחה, החל ממגמת החשמול והדיגיטציה (כולל מרכזי נתונים מבוססי בינה מלאכותית), אך גם מהעברה מחדש של יכולות ייצור בארה"ב והצורך של ציי הים האנגלוספירה לעבור מודרניזציה בתגובה לסיכונים גיאופוליטיים גוברים.

מקור: תאגיד מוליכים-על אמריקאי

בגזרת אספקת החשמל, AMSC ראתה עלייה מתמדת בהזמנות. זה הונע על ידי יצרני מוליכים למחצה שרצו להיות מוגנים מפני תנודות ברשת החשמל, עוזרים לרשת להתמודד עם האופי הקבוע של אנרגיה מתחדשת, ואספקת חשמל ובקרות באתרי תעשייה.

בתחום טורבינות הרוח, AMSC פעילה בעיקר עם מערכת הבקרה החשמלית (ECS) שלה. מבחינה היסטורית, ESC היה תחום חזק עבור החברה עם טורבינות רוח של 2 מגה-וואט, אך הוא ירד בהדרגה. AMSC שואפת להתאוששות הודות לעיצוב הטורבינות החדש של 3 מגה-וואט, עם דגש מיוחד על השוק ההודי.

מקור: תאגיד מוליכים-על אמריקאי

עבור ספינות צבאיות, ASMC מספקת את "אמצעי נגד מוקשים מגנטיים מוליכי-על בטמפרטורה גבוהה של AMSC", מערכת לשינוי החתימה המגנטית של הספינות כדי להגן עליהן מפני מוקשים ימיים. מערכת זו נמכרת לחיל הים של ארה"ב, קנדה ובריטניה, עם הזמנות בשווי 75 מיליון דולר עד כה.

בסך הכל, ASMC עושה את הטוב ביותר עם מינוף טכנולוגיית מוליכי-על ביישומי נישה הניתנים לקיימא כיום, בעוד שככל הנראה מוכנה לפרוס התקדמות נוספת בעתיד. כמו כן, יש לציין על ידי המשקיעים כי המניה חוותה תנודתיות קיצונית בעבר, ועליהם לחשב את הסיכונים בהתאם.

חדשות והתפתחויות אחרונות של מניות תאגיד המוליך-על האמריקאי (AMSC)

מחקר שאליו התייחס

^{1. Wang, Z., Guo, Y., Huang, HY. et al. עירורי ספין ורצועות אלקטרוניות שטוחות במוליך-על קגומה מבוסס Cr. תקשורת הטבע 16, 7573 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62298-5}