NUS, Yüksek Sıcaklık Süperiletkenliğine Sahip Bakırsız Malzemeyi Keşfetti

The Süperiletkenliğin Potansiyeli

Elektrik, insanlık tarafından icat edilmiş en önemli teknolojilerden biridir. Her zamanki haliyle, her zaman bir miktar elektrik direnciyle ilgilenir ve bir elektrik akımı dolaştığında ısı üretir.
Bu durum, çok güçlü akım veya manyetik alan gerektiren bazı uygulamalar için ciddi sınırlamalara yol açabilir; çünkü herhangi bir elektrik sisteminin erimesine yol açabilir.

Bir alternatif, elektrik direncinin sıfıra düştüğü bir fenomen olan süperiletkenliktir. Ancak, çok uzun bir süre boyunca, yalnızca mutlak sıfıra (0 K) yakın ultra düşük sıcaklıklarda veya yaklaşık -273°C/-387°K'de gözlemlenebildi.

Bu, ile değişti 1987'de Fizik dalında Nobel Ödülü'ne layık görülen bir keşif: bakır oksitlerden yapılmış yüksek sıcaklık süperiletkenleri.

Süperiletkenlik olmadan, parçacık hızlandırıcıları (örneğin, CERN), MRI'lar ve maglev trenleri.

Süperiletkenlik, aynı zamanda en umut verici megaprojelerin ve teknolojik yeniliklerin de önemli bir bileşeni olacak, örneğin: ITER ve çekirdek birleşmesi, kitle sürücüleri, kuantum bilgisayarlar, vb.

Sıfır kayıplı elektrik hatları, aynı zamanda, yenilenebilir enerji üretiminin hava koşulları ve zaman dilimleri boyunca tamponlanmasına yardımcı olarak, güneş ve rüzgar enerjisinin bazı sınırlamalarını çözerek, ultra uzun şebeke bağlantıları geliştirmede de önemli olabilir.

Kaynak: XOT Metaller

Yüksek sıcaklık süper iletkenlik

Düşük sıcaklık gereksinimi, süperiletkenliği şimdilik yalnızca yüksek teknolojili uygulamalar için ekonomik olarak uygulanabilir kılıyor: maglev, MRI, vb.

Bilimsel açıdan ilginç olsa da, yüksek basınç altında süperiletkenlik pratik uygulamalar açısından nispeten işe yaramazdır.

Son zamanlarda süperiletkenlik alanında durumu değiştirebilecek pek çok ilerleme kaydedildi:

• Artık yüksek basınçta üretilen malzemenin süperiletkenliğinin bir kısmını daha düşük basınçta da koruyabileceği anlaşılıyor Basınç-söndürme protokolü (PQP) adı verilen deneysel bir yöntemle.
• TwWSe₂'nin (tungsten selenyum) çift katmanı yüksek sıcaklık süperiletkenleri için de iyi bir malzeme adayı olduğu ortaya çıktı.
• Bu yıl, potansiyel süperiletkenlerin yeni bir sınıfı olan çift katmanlı nikelatlar da listeye eklenebilir.
• Sonra kafa karıştırıcı durum ortaya çıktı LK-99(bakır-ikameli kurşun apatitin bir türü – CSLA), potansiyel olarak yeni bir tür ortam basıncında, oda sıcaklığında süperiletken.
  • İddia hemen itiraz edildi ve bir aldatmaca veya ölçüm hatası olarak eleştirildi, ancak sonra diğer araştırmacılar sonuçta bir şeylerin olabileceğini keşfettiler.

Bu yeni keşiflere rağmen, büyük ölçüde, süperiletkenlik iyi anlaşılmamış bir olgudur ve bu özelliğe sahip yeni malzemeler bulmak için karanlıkta çok sayıda atış yapılmaktadır. Bu nedenle daha iyi bir teorik çerçeve gereklidir.

Bulmacanın bir parçası Mart 2025'te, süperiletkenlik (Tc) için olası daha yüksek sıcaklıkların ne olduğu konusunda daha iyi bir anlayışla bulundu.

Bir diğeri ise Singapur Ulusal Üniversitesi'ndeki araştırmacıların, bakır içermeyen süperiletken malzemenin keşfine yol açan yeni bir teorik model yaratmasıdır. Bu başarı yakın zamanda saygın bilimsel yayın Nature'da duyuruldu¹, Başlığın altında "Ortam basıncında delik katkılı SmNiO40'de 2 K civarında toplu süperiletkenlik anlayışının sonucu olarak, buzdolabında iki üç günden fazla durmayan küçük şişeler elinizin altında bulunur.

Yeni Süperiletkenlik Modeli

Süperiletkenliğin Açıklanması

Araştırmacılar, süperiletkenliğin nasıl çalıştığını açıklayan yeni bir teorik model geliştirmek için çalıştılar. Bu, birkaç temel kavramla daha basit bir şekilde özetlenebilecek karmaşık bir konudur:

Cooper çiftleri, veya kuantum etkisiyle birbirine bağlanmış iki elektron, bir malzemeyi süperiletken yapan temel bir unsurdur.

En azından süperiletkenliği ilk etapta açıklayan araştırmacılara (Bardeen-Cooper-Schrieffer teorisi veya BCS teorisi) göre süperiletkenliği yaratan Cooper çiftlerinin yoğunlaşmasıdır ve bu teori, 1972 Nobel Fizik Ödülü Bu fikir için.

Öyle fononlar, veya Cooper çiftlerindeki elektronların eşleşmesini sağlayan malzeme kafesinin kuantum seviyesindeki titreşim. Yeterli Cooper çifti oluştuğunda, bu, çarpışma olmadan elektronların malzeme boyunca hareket etmesini sağlayarak elektrik direncini ortadan kaldırır.

Kaynak: Beşli

Yeni Süperiletkenlerin Tahmini ve Üretimi

Cooper çifti oluşumunu öngören yeni model, araştırmacının, aralarında bakır atomu içermeyenlerin de bulunduğu pek çok potansiyel süperiletkeni öngörmesine yardımcı oluyor.

Daha sonra tahmin edilen malzemelerden biri olan samaryum-öropiyum-kalsiyum-nikel oksit (Sm-Eu-Ca)NiO₂'yi başarıyla sentezlediler.

"Tahmin ettiğimiz ve tasarladığımız gibi, bakır bazlı olmayan bu süperiletken oksit, bakır oksitler gibi, ek sıkıştırmaya gerek kalmadan, deniz seviyesindeki atmosfer basıncı altında yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik gösteriyor.

Bu bulgu, alışılmadık yüksek sıcaklık süperiletkenliğinin yalnızca bakıra özgü olmadığını, periyodik tablodaki elementler arasında daha yaygın bir özellik olabileceğini düşündürmektedir.”

Dr. Stephen Lin Er Chow – Singapur Ulusal Üniversitesi'nde Araştırmacı

Ayrıca bu bileşikte 30 K'nin çok üzerinde sıfır elektrik direncini (süperiletkenlik) doğruladılar. Bu sadece deney yapılacak yeni bir malzeme değil, aynı zamanda kullandıkları modelin tahmin değerine sahip olduğunun bir kanıtıdır, bu da tahmin edilen diğer süperiletken malzemenin de işe yarayabileceği anlamına gelir. Bu, 1990'lardan beri bu kadar yüksek sıcaklıklı süperiletkenin ilk keşfidir.

Kaynak: Singapur Ulusal Üniversitesi

Singapur Ulusal Üniversitesi'nde doktora öğrencisi olan Zhaoyang Luo, elektron mikroskobu kullanarak sentezlenen malzemenin yüksek kristalliğini ve saf faz doğasını gösterdi. Bu, yeni malzemeyi çok kararlı hale getirerek onu potansiyel gelecekteki endüstriyel uygulamalar için iyi bir aday haline getiriyor.

"Nobel ödüllü keşiften bu yana, bakır içermeyen yüksek sıcaklık süperiletken oksidin ortam basıncı altında işlev görebildiği ilk kez keşfedildi.

Ayrıca bu yeni malzeme ortam koşullarında oldukça kararlı olup, erişilebilirliğini önemli ölçüde artırıyor.”

pr. Ariando – Profesör the Singapur Ulusal Üniversitesi

Yeni malzemenin üretim yöntemi de oldukça sağlam olup, üretim sırasında herhangi bir yapısal kusur ortaya çıkmıyor, bu da pratik uygulama potansiyelini daha da artırıyor.

Uygulamalar ve Gelecekteki Geliştirmeler

Artık daha sağlam bir teorik çerçeveye sahip olduklarına göre, araştırmacılar süperiletken malzemelerin bazı özel parametrelerini ince ayarlamayı deneyebilirler. Özellikle, elektronik doluluk kayması ve hidrostatik basınç gibi atomik ve moleküler özelliklerden bahsediyorlar.

Bu, tamamen yeni tip süperiletkenlerin veya belki de daha yüksek çalışma sıcaklıklarına sahip yeni bir süperiletken ailesinin yolunu açabilir.

Ölçekte üretilebilen herhangi bir yüksek sıcaklık süperiletkeninin iki ana etkisi olabilir:

• Şu anda süperiletken kullanan teknolojilerin maliyetini önemli ölçüde düşürün, özellikle maglev ve MR gibi teknolojilerin kullanımını demokratikleştirin.
• Özellikle Tc sıcaklığının sıvı nitrojenle (-196°C / -320°F) eşleşecek kadar yüksek olması durumunda, süperiletken malzemelerde kullanılanlardan çok daha ucuz ve üretimi kolay bir soğutucu olan yeni kullanım alanları açılabilir.
  • Bu yeni uygulamalara güç iletimi, enerji depolama, lazerler, gemiler, uzay itkisi ve yörüngeye erişim (kütle sürücüleri) vb. dahil olabilir.

Bu gözlem, modern elektronikte pratik uygulamalara sahip daha geniş kapsamlı süperiletken malzemelerin hem teorik olarak anlaşılması hem de deneysel olarak gerçekleştirilmesi açısından derin sonuçlar doğurmaktadır.

pr. Ariando - Profesör Singapur Ulusal Üniversitesi

Süperiletkenlik Çözümlerinde Liderler

Amerikan Süperiletken Şirketi

AMSC, elektrik şebekesi, gemiler ve rüzgar enerjisi için enerji çözümleri sağlayan bir şirkettir. Genel olarak, bir sistem ne kadar güç açlığı çekiyorsa veya ne kadar büyükse, aşırı ısınmayı önlemek için süperiletken teknolojisine o kadar çok ihtiyaç duyar.

ASMC, ismine rağmen sadece süperiletken sistemleri değil, aynı zamanda örneğin rüzgar türbinleri için dişli aktarma organları da sağlıyor.

Şirket, elektriklendirme ve dijitalleşme (yapay zeka veri merkezleri dahil) trendlerinden, ayrıca ABD üretim kapasitelerinin geri çekilmesinden ve Anglosfer'deki Deniz Kuvvetlerinin artan jeopolitik risklere yanıt olarak modernleşme ihtiyacından kaynaklanan birden fazla büyüme itici gücünden yararlanıyor.

Kaynak: American Superconductor Corporation

Güç tedarik segmentinde AMSC siparişlerde istikrarlı bir artış gördü. Bu, yarı iletken fabrikalarının güç şebekesi dalgalanmalarından korunma arayışı, şebekenin yenilenebilir enerjinin kesintili doğasıyla başa çıkmasına yardımcı olma ve endüstriyel sahalardaki güç tedariki ve kontrolleri tarafından yönlendirildi.

Rüzgar türbini segmentinde AMSC çoğunlukla Elektrik Kontrol Sistemi (ECS) ile aktiftir. Tarihsel olarak, ESC 2MW rüzgar türbinleriyle şirket için güçlü bir segmentti, ancak giderek düşüşe geçti. AMSC, Hindistan pazarına özel bir odaklanma ile yeni 3MW türbin tasarımı sayesinde bir toparlanma hedefliyor.

Kaynak: Amerikan Süperiletken Şirketi

Askeri gemiler için ASMC, gemilerin manyetik imzasını değiştirerek onları deniz mayınlarından koruyan bir sistem olan “AMSC'nin Yüksek Sıcaklık Süperiletken Manyetik Mayın Karşı Tedbiri”ni sağlar. Bu, ABD, Kanada ve İngiltere donanmalarına satılır ve şu ana kadar 75 milyon dolar değerinde sipariş alır.

Genel olarak, ASMC bugün uygulanabilir niş uygulamalarda süper iletken teknolojisinden yararlanma konusunda en iyisini yapıyor ve gelecekte daha fazla ilerleme kaydetmeye hazır olması muhtemel. Yatırımcılar ayrıca hissenin geçmişte aşırı oynaklık yaşadığını ve riskleri buna göre hesaplamaları gerektiğini de unutmamalıdır.

American Superconductor Corporation'daki son gelişmeler

Atıf Yapılan Çalışmalar:

^{1. Chow, SLE, Luo, Z. ve Ariando, (2025) A. Delik katkılı SmNiO'de 40 K civarında toplu süperiletkenlik2ortam basıncında. Tabiat. 20 Mart 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08893-4}