แบนด์แบนในโลหะคาโกเมะอาจปลดล็อกตัวนำยิ่งยวดในอนาคต

ความก้าวหน้าใหม่ใน Kagome Superconductors

ตัวนำยิ่งยวดคือวัสดุที่นำไฟฟ้าโดยไม่มีความต้านทาน แต่จนถึงขณะนี้ พวกมันทำงานได้เฉพาะในสภาวะที่รุนแรงเท่านั้น โลหะคาโกเมะอาจเปลี่ยนแปลงสิ่งนั้นได้
นี่เป็นพื้นฐานสำหรับผู้อ่านที่อาจไม่มีความรู้ด้านฟิสิกส์

ในเดือนพฤศจิกายน 2024 เราได้หารือกัน วัสดุใหม่สำหรับทฤษฎีแม่เหล็กใหม่พัฒนาโดยนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยไรซ์

การค้นพบนี้ถูกสร้างขึ้น เมื่อ สิ่งพิมพ์ปี 2022ซึ่งนักวิจัยได้ค้นพบว่า “วัสดุคาโกเมะ” ผลึกโลหะชนิดหนึ่ง แสดงให้เห็น คุณสมบัติทางแม่เหล็กที่น่าประหลาดใจ

ชื่อนี้มาจากรูปแบบการทอแบบคาโกเมะที่ใช้ในหัตถกรรมญี่ปุ่นแบบดั้งเดิม หรือการปูกระเบื้องสามเหลี่ยมหกเหลี่ยม โดยมีรูปสามเหลี่ยมทับซ้อนกันและช่องว่างรูปหกเหลี่ยมขนาดใหญ่

ที่มา: ประตูวิจัย

ในลักษณะเดียวกัน วัสดุคาโกเมะ เช่น ผลึกเหล็ก-เจอร์เมเนียมแม่เหล็ก ก็ได้รับการจัดเรียงตามรูปแบบนี้ในระดับอะตอม

โลหะคาโกเมะที่มีส่วนประกอบของโครเมียมอีกชนิดหนึ่ง คือ CsCr₃Sb₅ (ซีเซียม-โครเมียม-แอนติโมนี) ดูเหมือนว่าจะมีศักยภาพมหาศาลสำหรับส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ในอนาคต รวมถึงตัวนำยิ่งยวด ฉนวนโทโพโลยี และอิเล็กทรอนิกส์แบบสปิน ตามรายงานล่าสุดของนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยไรซ์ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Communications¹ภายใต้ชื่อ “การกระตุ้นแบบหมุนและแถบอิเล็กทรอนิกส์แบบแบนในตัวนำยิ่งยวดคาโกเมะที่ใช้ Cr"

คุณสมบัติทางแม่เหล็กและอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุคาโกเมะ

ในปี 2022 คุณสมบัติเฉพาะของวัสดุคาโกเมะได้รับการสังเกตเห็นแล้ว:

• ผลทางแม่เหล็กต้องใช้อิเล็กตรอนไหลรอบ ๆ สามเหลี่ยมคาโกเมะ ซึ่งคล้ายกับการนำยิ่งยวด
  • แม้ว่าปรากฏการณ์คลื่นแม่เหล็กและความหนาแน่นประจุเหล่านี้จะไม่ใช่สภาพนำยิ่งยวดในความหมายทั่วไป แต่นักวิจัยได้ยืนยันว่าปรากฏการณ์ดังกล่าวในวัสดุคาโกเมะสามารถคงอยู่ได้แม้ในอุณหภูมิห้องและสภาวะความดันปกติ ซึ่งทำให้ปรากฏการณ์เหล่านี้กลายเป็นก้าวสำคัญสู่การค้นพบตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง
• การมีอยู่ของ “คลื่นความหนาแน่นประจุ“ซึ่งอิเล็กตรอนจะ “รวม” เข้าหากันเป็นคลื่นรวม ซึ่งส่งกระแสไฟฟ้าไปพร้อมกัน
  • ต่างจากตัวนำยิ่งยวดแบบ "ปกติ" ตัวนำยิ่งยวดนี้มาในลักษณะพุ่งสูง เช่น น้ำหยดจากก๊อกน้ำ มากกว่าการไหลของอิเล็กตรอนอย่างต่อเนื่อง
• แม้ว่าจะแสดงคลื่นความหนาแน่นของประจุ แต่วัสดุคาโกเมะยังแสดงคุณสมบัติทางแม่เหล็กด้วย ซึ่งโดยปกติแล้วเป็นคุณสมบัติที่เข้ากันไม่ได้ 2 ประการ

โดยรวมแล้ว ลักษณะที่เป็นระเบียบของวัสดุคาโกเมะสามารถทำให้ศึกษาปรากฏการณ์ที่ขอบความเข้าใจของเราเกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้าได้ง่ายขึ้น เช่น "การนำยิ่งยวดที่ไม่ธรรมดา" หรือ "ความผันผวนอย่างต่อเนื่องระหว่างสถานะแม่เหล็กในของเหลวสปินควอนตัม"

การสร้างตัวนำยิ่งยวดคาโกเมะ

แบนด์แบนด์ อิเล็กตรอน 

อิเล็กตรอนแบนด์ เป็นอิเล็กตรอนในแถบพลังงานอิเล็กตรอนชนิดพิเศษที่มีพลังงานคงที่หรือการกระจายแบบ "แบน" หมายความว่าอิเล็กตรอนมีพลังงานจลน์เท่ากันไม่ว่าโมเมนตัมจะเป็นเท่าใดก็ตาม

หากพูดในเชิงเทคนิคน้อยกว่า นี่หมายถึงสถานะที่มีความหนาแน่นยิ่งยวด ซึ่งอิเล็กตรอนสามารถมีพฤติกรรมเหมือนตัวนำยิ่งยวด แต่ไม่มีเงื่อนไขเบื้องต้นปกติสำหรับการนำยิ่งยวด (เย็นจัด หรือแรงดันสูงมาก)

จนถึงขณะนี้ การทำให้โครงตาข่ายคาโกเมะมีเสถียรภาพเพื่อนำแบนด์แบนด์ไปสู่ระดับพลังงานที่ต้องการนั้นเป็นเรื่องยาก จนกระทั่งมีการใช้ CsCr₃Sb₅

“ผลลัพธ์ของเราได้ยืนยันการคาดการณ์เชิงทฤษฎีที่น่าประหลาดใจและสร้างเส้นทางสำหรับวิศวกรรมการนำไฟฟ้ายิ่งยวดที่แปลกใหม่ผ่านการควบคุมทางเคมีและโครงสร้าง”

เผิงเฉิง ได - ภาควิชาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ของมหาวิทยาลัยไรซ์

การสร้างคริสตัลที่ถูกต้อง

CsCr₃Sb₅ ตกผลึกตามธรรมชาติเป็นโครงตาข่ายหกเหลี่ยมหลายชั้น

ที่มา: การสื่อสารธรรมชาติ

อย่างไรก็ตาม เพื่อสังเกตผลกระทบในระดับและเพื่อให้ได้วัสดุที่จะมีประโยชน์สำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ในภายหลัง จึงจำเป็นต้องใช้คริสตัลที่มีขนาดใหญ่กว่ามาก

จากการปรับปรุงวิธีการเดิม นักวิจัยสามารถผลิตตัวอย่างที่มีขนาดใหญ่กว่าเดิมถึง 100 เท่า

การวิเคราะห์ ARPES และ RIXS ของ Kagome Superconductor CsCr₃Sb₅

เพื่อแสดงภาพโครงสร้างอิเล็กตรอนของ CsCr3Sb5 นักวิจัยได้ใช้เทคนิคที่เรียกว่า ARPES (angle-resolved photoemission spectroscopy) ซึ่งสร้างแผนที่อิเล็กตรอนภายใต้แสงที่สร้างโดยเครื่องเร่งอนุภาค (ซินโครตรอน)

ที่มา: การสื่อสารธรรมชาติ

ผลการศึกษาเผยให้เห็นลายเซ็นที่ชัดเจนซึ่งเกี่ยวข้องกับออร์บิทัลโมเลกุลแบบกะทัดรัด ซึ่งเป็นสัญลักษณ์ของแถบแบนของอิเล็กตรอน และยืนยันว่ารูปทรงเรขาคณิตของโพลาไรเซชันทั้งหมดมีส่วนทำให้เกิดแถบแบน

“ผลลัพธ์ ARPES และ RIXS ของทีมร่วมมือของเราแสดงให้เห็นภาพที่สอดคล้องกันว่าแบนด์แบนด์ในที่นี้ไม่ได้เป็นผู้ชมเฉยๆ แต่เป็นผู้มีส่วนร่วมอย่างแข็งขันในการกำหนดภูมิทัศน์ทางแม่เหล็กและอิเล็กทรอนิกส์

ฉีเหมี่ยวสี - ภาควิชาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ของมหาวิทยาลัยไรซ์

จากนั้นพวกเขาใช้ RIXS (การกระเจิงรังสีเอกซ์แบบไม่ยืดหยุ่นแบบเรโซแนนซ์) เพื่อวัดสถานะการกระตุ้นแม่เหล็ก

สิ่งนี้ยังยืนยันการมีอยู่ของแถบแบนอีกด้วย โดยไม่ขึ้นอยู่กับผลการทดสอบของ ARPES

ที่มา: การสื่อสารธรรมชาติ

ผลกระทบของอุณหภูมิต่อศักย์ไฟฟ้ายิ่งยวดของคาโกเมะ

จากนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงตรวจสอบผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิต่อคุณสมบัติของวัสดุใหม่นี้

ตรงกันข้ามกับวัสดุตัวนำยิ่งยวดที่มีศักยภาพอื่น ๆ คุณสมบัติจะดีกว่าที่ 140°เค (-133°ซี / -207°F) กว่าที่ 10°เค (-263°ซี / -441°F)

ที่มา: การสื่อสารธรรมชาติ

โดยรวมแล้ว การทดลองเหล่านี้ไม่เพียงแต่ระบุถึงวัสดุใหม่ที่มีแนวโน้มดีมากเท่านั้น แต่ยังแสดงให้เห็นอีกด้วยว่ารูปทรงของโครงตาข่ายเชื่อมโยงโดยตรงกับสถานะควอนตัมที่เกิดขึ้นใหม่

“การระบุแถบแบนที่ใช้งานอยู่ช่วยให้เราแสดงให้เห็นถึงการเชื่อมโยงโดยตรงระหว่างเรขาคณิตของโครงตาข่ายและสถานะควอนตัมที่เกิดขึ้นใหม่”

หมิงอี้ - ข้าวของ ภาคี Pศาสตราจารย์ของ Pสุขอนามัยและ Aดาราศาสตร์

การใช้งานที่เป็นไปได้

ความหนาแน่นของสถานะจากแถบแบนจะอยู่ที่ระดับพลังงานใกล้จุดวิกฤตควอนตัม ซึ่งอาจทำให้เกิดสภาพนำยิ่งยวดได้

นี่ถือเป็นการปรับปรุงจากโครงตาข่ายโลหะคาโกเมะรุ่นก่อนหน้า เนื่องจากแถบแบนคาโกเมะให้ความหนาแน่นของสถานะสูงครอบคลุมวัสดุส่วนใหญ่มากขึ้น

นอกจากนี้ CsCr3Sb5 ยังยับยั้งคลื่นความหนาแน่นที่สังเกตได้ในวัสดุคาโกเมะอื่นๆ อีกด้วย จึงปรับปรุงศักยภาพการนำยิ่งยวดให้ดีขึ้นอีก

ตัวนำยิ่งยวดคาโกเมะที่มีอุณหภูมิสูงหรืออุณหภูมิห้องจะเป็นการปฏิวัติวงการคอมพิวเตอร์ควอนตัม ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์สปินทรอนิกส์ (อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้พลังงานต่ำ) และวัสดุโทโพโลยี (คล้ายกับสถานะใหม่ของสสารที่พัฒนาโดย Microsoft (MSFT -2.55%) ทีมคอมพิวเตอร์ควอนตัม).

นอกจากนี้ยังอาจมีศักยภาพในฐานะ “เพียง” ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง ซึ่งสามารถนำไปใช้ในพลังงานแม่เหล็ก เทคโนโลยีทางทหาร และการผลิตพลังงานได้

ปัดเพื่อเลื่อน →

ผู้นำด้านโซลูชันการนำไฟฟ้ายิ่งยวด

บริษัท ซุปเปอร์คอนดักเตอร์แห่งอเมริกา

AMSC เป็นบริษัทที่ให้บริการโซลูชันด้านพลังงานสำหรับโครงข่ายไฟฟ้า เรือ และพลังงานลม โดยทั่วไป ยิ่งระบบกินไฟมากหรือมีขนาดใหญ่มากเท่าใด ก็ยิ่งต้องใช้เทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวดเพื่อหลีกเลี่ยงความร้อนสูงเกินไปมากขึ้นเท่านั้น

แม้ว่าจะมีชื่อเรียกว่า ASMC แต่ ASMC ไม่เพียงแต่จำหน่ายระบบตัวนำยิ่งยวดเท่านั้น แต่ยังจำหน่ายระบบส่งกำลังแบบเฟืองสำหรับกังหันลมอีกด้วย

บริษัทมีปัจจัยกระตุ้นการเติบโตหลายประการ ตั้งแต่แนวโน้มของการใช้ไฟฟ้าและดิจิทัล (รวมถึงศูนย์ข้อมูล AI) แต่ยังรวมถึงการย้ายฐานการผลิตในสหรัฐอเมริกากลับมายังสหรัฐอเมริกา และความจำเป็นที่กองทัพเรือของแองโกลสเฟียร์ต้องปรับปรุงให้ทันสมัยเพื่อตอบสนองต่อความเสี่ยงทางภูมิรัฐศาสตร์ที่เพิ่มมากขึ้น

ที่มา: บริษัท ซุปเปอร์คอนดักเตอร์แห่งอเมริกา

ในส่วนของแหล่งจ่ายไฟ AMSC พบว่ามีคำสั่งซื้อเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง โดยได้รับแรงผลักดันจากโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่ต้องการปกป้องจากความผันผวนของระบบไฟฟ้า ช่วยให้ระบบไฟฟ้าสามารถรับมือกับธรรมชาติที่ไม่แน่นอนของพลังงานหมุนเวียน รวมถึงแหล่งจ่ายไฟและระบบควบคุมในโรงงานอุตสาหกรรม

ในส่วนของกังหันลม AMSC เน้นไปที่ระบบควบคุมไฟฟ้า (ECS) เป็นหลัก เดิมที ESC เคยเป็นกลุ่มผลิตภัณฑ์ที่แข็งแกร่งของบริษัทด้วยกังหันลมขนาด 2 เมกะวัตต์ แต่ปัจจุบันกำลังลดลงอย่างต่อเนื่อง AMSC ตั้งเป้าที่จะฟื้นตัวจากการออกแบบกังหันลมขนาด 3 เมกะวัตต์ใหม่ โดยมุ่งเน้นไปที่ตลาดอินเดียเป็นพิเศษ

ที่มา: บริษัท ซุปเปอร์คอนดักเตอร์แห่งอเมริกา

สำหรับเรือรบ ASMC จัดหา “ระบบป้องกันทุ่นระเบิดแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงของ AMSC” ซึ่งเป็นระบบที่ปรับเปลี่ยนลายเซ็นแม่เหล็กของเรือเพื่อป้องกันทุ่นระเบิดในทะเล ระบบนี้จำหน่ายให้กับกองทัพเรือสหรัฐฯ แคนาดา และสหราชอาณาจักร โดยมีมูลค่าคำสั่งซื้อ 75 ล้านดอลลาร์สหรัฐ

โดยรวมแล้ว ASMC ทำได้ดีที่สุดด้วยการใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวดในแอปพลิเคชันเฉพาะทางที่เป็นไปได้ในปัจจุบัน ขณะเดียวกันก็พร้อมที่จะปรับใช้ความก้าวหน้าเพิ่มเติมในอนาคต นักลงทุนควรทราบด้วยว่าหุ้นตัวนี้เคยประสบกับความผันผวนอย่างรุนแรงในอดีต และพวกเขาควรคำนวณความเสี่ยงให้เหมาะสม

ข่าวสารและพัฒนาการล่าสุดของหุ้น American Superconductor Corporation (AMSC)

ศึกษาอ้างอิง

^{1. วัง, Z., Guo, Y., Huang, HY. และคณะ การกระตุ้นแบบหมุนและแถบอิเล็กทรอนิกส์แบบแบนในตัวนำยิ่งยวดคาโกเมะที่ใช้ Cr. การสื่อสารธรรมชาติ 16, 7573 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62298-5}