Płaskie pasma w metalach Kagome mogą odblokować przyszłe nadprzewodniki

Nowe postępy w nadprzewodnikach Kagome

Nadprzewodniki to materiały przenoszące prąd elektryczny bez oporu, ale do tej pory działały tylko w ekstremalnych warunkach. Metale Kagome mogą to zmienić.
Stanowi to zapowiedź dla czytelników, którzy nie są ekspertami od fizyki.

W listopadzie 2024 roku omawialiśmy nowy materiał dla nowych teorii magnetycznych, opracowany przez naukowców z Rice University.

To odkrycie zostało zbudowane na publikacja z 2022 roku, w którym badacze odkryli, że „materiał kagome,,rodzaj kryształu metalicznego, wykazuje zaskakujące właściwości magnetyczne.

Nazwa pochodzi od wzoru tkania kagome, stosowanego w tradycyjnym rzemiośle japońskim, czyli trójkątnych płytek heksagonalnych, składających się z zachodzących na siebie trójkątów i dużych sześciokątnych pustych przestrzeni.

Źródło: researchgate

W podobny sposób materiały kagome, takie jak na przykład kryształy magnetycznego żelaza i germanu, są zorganizowane w ten wzór na poziomie atomowym.

Inny metal kagome na bazie chromu, CsCr₃Sb₅ (cez-chrom-antymon), wydaje się mieć ogromny potencjał dla przyszłych komponentów elektronicznych, w tym nadprzewodników, izolatorów topologicznych i elektroniki opartej na spinie, zgodnie z najnowszym artykułem badaczy z Rice University opublikowanym w czasopiśmie Nature Communications¹, pod tytułem "Wzbudzenia spinowe i płaskie pasma elektroniczne w nadprzewodniku kagome na bazie chromu".

Właściwości magnetyczne i elektroniczne materiałów Kagome

Już w 2022 roku zauważono unikalne właściwości materiału kagome:

• Efekty magnetyczne wymagają, aby elektrony przepływały wokół trójkątów kagome, co jest podobne do nadprzewodnictwa.
  • Chociaż te efekty fal magnetycznych i gęstości ładunku nie są nadprzewodnictwem w konwencjonalnym rozumieniu, naukowcy potwierdzili, że takie zjawiska w materiałach kagome mogą utrzymywać się nawet w temperaturze pokojowej i warunkach normalnego ciśnienia. To czyni je cennymi krokami w kierunku odkrycia nadprzewodników wysokotemperaturowych.
• Obecność „fala gęstości ładunku„gdzie elektrony łączą się ze sobą w falę zbiorową, przenosząc wspólnie prąd elektryczny.
  • W odróżnieniu od „normalnego” nadprzewodnictwa, to zjawisko występuje skokowo, jak kapanie wody z kranu, a nie w postaci ciągłego przepływu elektronów.
• Oprócz wykazywania fal gęstości ładunku, materiały kagome wykazują również właściwości magnetyczne, które zazwyczaj są dwiema niekompatybilnymi właściwościami.

Ogólnie rzecz biorąc, bardzo zorganizowana natura materiałów kagome może ułatwiać badanie zjawisk na samym skraju naszej wiedzy o elektromagnetyzmie, takich jak „nadprzewodnictwo niekonwencjonalne"Lub"ciągłe fluktuacje między stanami magnetycznymi w cieczach spinowych kwantowych".

Tworzenie nadprzewodnika Kagome

Płaski pasek Elektrony 

Elektrony pasma płaskiego są elektronami w specjalnym typie pasma energii elektronowej, które charakteryzuje się stałą energią lub „płaską” dyspersją, co oznacza, że ​​elektrony mają taką samą energię kinetyczną niezależnie od ich pędu.

Mówiąc mniej technicznie, oznacza to stan supergęsty, w którym elektrony mogą zachowywać się jak nadprzewodniki, jednak bez spełnienia typowych warunków koniecznych do wystąpienia nadprzewodnictwa (ultrazimno lub ultrawysokie ciśnienie).

Do tej pory stabilizacja sieci kagome w celu doprowadzenia płaskich pasm do wymaganego poziomu energii była trudna do osiągnięcia. Aż do momentu zastosowania CsCr₃Sb₅.

„Nasze wyniki potwierdzają zaskakujące przewidywania teoretyczne i wyznaczają ścieżkę do inżynierii egzotycznego nadprzewodnictwa poprzez kontrolę chemiczną i strukturalną”

Pengcheng Dai - Wydział Fizyki i Astronomii Rice'a

Budowanie właściwego kryształu

CsCr₃Sb₅ naturalnie krystalizuje w warstwowej sieci heksagonalnej.

Źródło: Nature Communications

Jednak aby zaobserwować ten efekt na dużą skalę i uzyskać materiał, który będzie przydatny w późniejszych zastosowaniach komercyjnych, potrzebny był znacznie większy kryształ.

Udoskonalając swoje poprzednie metody, badaczom udało się wytworzyć próbki 100 razy większe niż poprzednio.

Analiza ARPES i RIXS nadprzewodnika Kagome CsCr₃Sb₅

Aby zwizualizować strukturę elektronową CsCr3Sb5, naukowcy wykorzystali technikę zwaną ARPES (spektroskopia fotoemisyjna kątowo-rozdzielcza). Tworzy ona mapę elektronu w świetle generowanym przez akcelerator cząstek (synchrotron).

Źródło: Nature Communications

Ujawniło ono wyraźne sygnatury związane ze zwartymi orbitalami molekularnymi, co jest oznaką płaskich pasm elektronowych, i potwierdziło, że wszystkie geometrie polaryzacji przyczyniają się do powstawania płaskich pasm.

„Wyniki badań ARPES i RIXS przeprowadzonych przez nasz zespół jednoznacznie wskazują, że pasma płaskie nie są biernymi widzami, lecz aktywnymi uczestnikami kształtowania krajobrazu magnetycznego i elektronicznego.

Qimiao Si - Wydział Fizyki i Astronomii Rice'a

Następnie wykorzystali metodę RIXS (rezonansowego nieelastycznego rozpraszania promieni rentgenowskich) do pomiaru stanów wzbudzenia magnetycznego.

To również potwierdziło obecność pasm płaskich, niezależnie od wyników ARPES.

Źródło: Nature Communications

Wpływ temperatury na potencjał nadprzewodnictwa Kagome

Następnie naukowcy sprawdzili wpływ zmian temperatury na właściwości tego nowego materiału.

W przeciwieństwie do innych potencjalnie nadprzewodzących materiałów, właściwości były lepsze przy 140°K (-133°C / -207°F) niż przy 10°K (-263°C / -441°FA).

Źródło: Nature Communications

Ogólnie rzecz biorąc, eksperymenty te nie tylko pozwoliły na odkrycie bardzo obiecującego nowego materiału, ale także wykazały, że geometria sieci jest bezpośrednio związana z powstającymi stanami kwantowymi.

„Identyfikując aktywne pasma płaskie, wykazaliśmy bezpośredni związek między geometrią sieci a powstającymi stanami kwantowymi”

Ming Yi - Rice'a Współpracownik Profesor z Physics i Astronomia.

Potencjalne aplikacje

Gęstość stanów z pasm płaskich osiąga poziomy energetyczne bliskie punktowi krytycznemu kwantowemu, co potencjalnie umożliwia nadprzewodnictwo.

Jest to również udoskonalenie w stosunku do poprzedniej sieci metalowej kagome, gdyż płaskie pasma kagome zapewniają wysoką gęstość stanów na znacznie większej części materiału.

CsCr3Sb5 tłumi również falę gęstości obserwowaną w innych materiałach kagome, co jeszcze bardziej zwiększa jego potencjał nadprzewodnictwa.

Nadprzewodnik kagome działający w wysokiej lub pokojowej temperaturze mógłby być rewolucyjny dla komputerów kwantowych, elementów elektronicznych spintroniki (elektroniki o niskim zużyciu energii) i materiałów topologicznych (podobny do nowego stanu materii opracowanego przez firmę Microsoft (MSFT + 0.52%) zespół zajmujący się obliczeniami kwantowymi).

Mógłby on również mieć potencjał „tylko” jako nadprzewodnik wysokotemperaturowy, nadający się do wykorzystania w transporcie na poduszce magnetycznej, technologii wojskowej i wytwarzaniu energii.

Przesuń, aby przewijać →

Liderzy w rozwiązaniach nadprzewodnictwa

Amerykańska korporacja nadprzewodników

AMSC to firma dostarczająca rozwiązania energetyczne dla sieci energetycznych, statków i energii wiatrowej. Ogólnie rzecz biorąc, im bardziej energochłonny lub masywny jest system, tym bardziej wymaga technologii nadprzewodzącej, aby uniknąć przegrzania.

Pomimo swojej nazwy, ASMC dostarcza nie tylko systemy nadprzewodników, ale także np. przekładnie napędowe do turbin wiatrowych.

Na rozwój firmy wpływa wiele czynników, począwszy od trendu elektryfikacji i cyfryzacji (w tym centrów danych AI), a skończywszy na przenoszeniu mocy produkcyjnych USA z powrotem do kraju oraz konieczności modernizacji marynarek wojennych państw anglosaskich w odpowiedzi na rosnące ryzyko geopolityczne.

Źródło: Amerykańska korporacja nadprzewodników

W segmencie zasilania AMSC odnotowało stały wzrost zamówień. Było to spowodowane tym, że fabryki półprzewodników chciały być chronione przed wahaniami w sieci energetycznej, pomagając sieci radzić sobie z nieregularnym charakterem odnawialnych źródeł energii oraz zasilaniem i sterowaniem w obiektach przemysłowych.

W segmencie turbin wiatrowych AMSC działa głównie dzięki systemowi sterowania elektrycznego (ECS). Historycznie, ESC był silnym segmentem firmy, oferując turbiny wiatrowe o mocy 2 MW, ale jego znaczenie stopniowo maleje. AMSC dąży do odbicia dzięki nowej konstrukcji turbiny o mocy 3 MW, ze szczególnym naciskiem na rynek indyjski.

Źródło: Amerykańska korporacja nadprzewodników

Dla okrętów wojennych ASMC dostarcza system „AMSC's High Temperature Superconductor Magnetic Mine Countermeasure”, który zmienia sygnaturę magnetyczną okrętów, chroniąc je przed minami morskimi. System ten jest sprzedawany marynarkom wojennym USA, Kanady i Wielkiej Brytanii, a wartość zamówień sięga 75 milionów dolarów.

Ogólnie rzecz biorąc, ASMC radzi sobie najlepiej z wykorzystaniem technologii nadprzewodników w niszowych aplikacjach, które są obecnie wykonalne, a jednocześnie prawdopodobnie jest gotowe na wdrożenie dalszych postępów w przyszłości. Inwestorzy powinni również zauważyć, że akcje doświadczyły ekstremalnej zmienności w przeszłości i powinni odpowiednio obliczyć ryzyko.

Najnowsze wiadomości i wydarzenia dotyczące akcji American Superconductor Corporation (AMSC)

Badanie, do którego się odniesiono

^{1. Wang, Z., Guo, Y., Huang, HY. i in. Wzbudzenia spinowe i płaskie pasma elektroniczne w nadprzewodniku kagome na bazie chromu. Komunikacja przyrodnicza 16, 7573 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62298-5}