Двошарові нікелати: новий клас високотемпературних надпровідників

Обмеження надпровідності

Електроенергія була однією з найбільш трансформуючих технологій в історії, яка дозволяла передавати дуже корисну форму енергії на великі відстані. Але кожна «нормальна» електрична система стикається з електричним опором, що призводить до утворення тепла під час застосування електричного струму.

Альтернатива існує: так звані надпровідні матеріали. Надпровідні матеріали мають нульовий електричний опір, що дозволяє використовувати надзвичайно потужні струми без виділення тепла.

Без надпровідності багато сучасних технологій були б неможливими, включаючи прискорювачі частинок (наприклад, CERN), МРТ і maglev поїздів.

Надпровідність стане вирішальним компонентом найперспективніших мегапроектів і технологічних інновацій, таких як ІТЕР та  ядерний синтез, масові водії, квантові комп'ютери, І т.д.

Лінії електропередачі з нульовими втратами також можуть мати вирішальне значення для розробки наддовгих мережевих з’єднань, допомагаючи буферизувати виробництво відновлюваної енергії залежно від погодних умов і часових поясів, усуваючи деякі обмеження сонячної та вітрової енергії.

джерело: Метали XOT

Однак надпровідність поки що була освоєна лише для матеріалів, які демонструють її при наднизьких температурах, ледве на кілька градусів вище абсолютного нуля. Або надзвичайно високий тиск.

Це робить його не тільки надто складним для будь-яких застосувань, окрім найвимогливіших (maglev, МРТ тощо), але й дуже дорогим, що робить його неекономічним для багатьох застосувань, які можуть отримати вигоду від надпровідних матеріалів або будь-якого великомасштабного використання.

Багато шляхів до надпровідності

Тепер здається, що матеріал, вироблений під високим тиском, міг би зберегти частину своєї надпровідності при нижчому тиску, за допомогою експериментального методу під назвою протокол гасіння тиску (PQP).

В останній час скручений бішар WSe₂ (вольфрамовий селен) також виявився хорошим кандидатом на створення високотемпературних надпровідників.

Отже, після років повільного прогресу, схоже, що фізики починають відкривати абсолютно нові шляхи створення надпровідних матеріалів. І тепер до списку додано нову сімейство надпровідників, що містять нікель.

Китайські дослідники з Південного науково-технічного університету в Шеньчжені та Університету Цінхуа виявили, що двошарові нікелатні надпровідники проводять електрику без опору, значно вище абсолютного нуля і під тиском навколишнього середовища.¹

Вони опублікували свої результати в престижному науковому журналі Nature під назвою «Початок надпровідності навколишнього тиску вище 40 К у плівках (La,Pr)3Ni2O7".

Не надто холодні надпровідники

Високотемпературна надпровідність одного разу може стати можливістю, особливо у загадковому випадку LK-99 (форма заміщеного міддю апатиту свинцю – CSLA), новий тип надпровідника кімнатної температури, що працює під тиском навколишнього середовища.

Твердження було негайно оскаржено та розкритиковано як обман чи помилка вимірювань, але потім інші дослідники виявили, що все-таки щось може статися.

Але це не єдиний клас надпровідників, які можуть працювати при більш високих температурах.

Нещодавно було виявлено, що дві групи кераміки (купрати на основі міді та пніктиди на основі заліза) працювали як нетрадиційні надпровідники, які працюють при кімнатному тиску та температурах до 150°K (–123°C / -189°F).

джерело: Матеріали сьогодні

Тепер виявляється, що нікелати приєднуються до цієї кераміки, щоб створити матеріал, який працює як надпровідник при більш високих температурах.

Хоча це не так тепло, досягти температури набагато легше, ніж за допомогою сучасних надпровідників. Наприклад, надпровідні магніти ІТЕР потрібно буде охолодити близько до абсолютного нуля рідким гелієм, що є дуже енергоємною та дорогою процедурою.

Загалом це вказує на те, що надпровідники, ймовірно, стануть набагато більш поширеними в середньостроковій перспективі, оскільки відкривається багато інших їх форм і експериментується з ними.

Надпровідні нікелати

Потенційні надпровідні властивості нікелата були виявлені у 2019 році фізиком з Міського університету Гонконгу Даньфенгом Лі та його колегою. У 2023 році інша команда продемонструвала надпровідність нікелата за вищих температур, але під високим тиском.

джерело: Nature

Але саме в грудні 2024 року було вперше виявлено, що нікелати втрачають опір при критичній температурі та витісненні магнітних полів, що свідчить про надпровідність.

Щоб досягти цього результату, монокристалічні плівки La2.85Pr0.15Ni2O7 (лантан-празеодим-нікель) були вирощені за допомогою техніки, яка називається гігантська окислювальна атомно-пошарова епітаксія (GOALL-Epitaxy). Ця техніка була розроблена тією ж групою дослідників і забезпечує на кілька порядків сильніше окислення та точність у створенні шарів матеріалу на атомному рівні.

джерело: дослідження Gate

Для вивчення сполуки на основі нікелю були використані сучасні аналітичні методи, включаючи зображення скануючої просвічуючої електронної мікроскопії (STEM) і рентгенівське відображення зворотного простору (RSM).

Вони виявили появу тетрагональної фази в шарі оксиду нікелю, яка може відповідати за вільний потік електронів у правильних умовах.

Удосконалення надпровідних матеріалів

Метод, використаний як попередній тест для покращення властивостей нікеляту, може бути вдосконалений. Це повинно призвести до кількох випробувань для подальшого підвищення температури цих надпровідників.

«Є величезна надія, що врешті-решт ми зможемо підвищити критичну температуру і зробити такі матеріали більш корисними для застосування».

Данфен Лі – фізик у Міському університеті Гонконгу.

Аналіз показує, що процес, який дає нікелятам надпровідність, подібний до процесу, що стосується купратів (вироблених з міді).

«Збільшення цього є пріоритетом. Команда випробовує різні прийоми, щоб налаштувати спосіб вирощування матеріалу та його точний склад».

Zhuoyu Chen – фізик у SUSTech

Експерименти перед теорією

Слід зазначити, що останні результати щодо високотемпературних надпровідників або навіть потенційних надпровідників кімнатної температури випереджають теоретичну фізику в цій галузі.

Отже, чому це працює, досі залишається загадкою. Ще немає повного пояснення того, чому ці матеріали є надпровідниками, і навіть не існує методу прогнозування, щоб передбачити, який матеріал може проявляти ці властивості.

До цього часу потреба в умовах високого тиску або гіперхолоду серйозно заважала дослідженню цих матеріалів, оскільки було важко щось перевірити, коли надпровідність виникає лише в алмазному ковадлі або рідкому гелії.

Умови, які простіше підтримувати, повинні дати вченим набагато більше свободи для вивчення цих матеріалів і модифікації.

Таким чином, це залишає багато можливостей для вдосконалення, і краще розуміння цих матеріалів, у тому числі за допомогою ШІ, має допомогти піти далі.

Це також має залучити більше дослідників, які працюватимуть у цій галузі, і більше компаній, які виділяють бюджети на дослідження та розробки на ці проекти, прискорюючи темп прогресу.

Майбутні програми

Високотемпературні надпровідники відразу ж стали б чудо-матеріалом, якщо б їх розуміти досить добре, щоб виробляти їх у великих масштабах.

Першим миттєвим ефектом буде зниження вартості обладнання, яке вже використовує надпровідність, наприклад, магнітно-резонансної томографії, магнітних потягів, передових турбін і генераторів, прискорювачів частинок, експериментальних термоядерних реакторів тощо.

Це також зробить можливою технологію, яку дотепер взагалі не можна було реалізувати або була надто дорогою через технічні обмеження низькотемпературних надпровідників.

Це включає поїзди Hyperloop, драйвери маси для досягнення орбіти, комерційний ядерний синтез, міжконтинентальні мережеві з’єднання тощо. Кожна з них є технологією, яка назавжди змінить шлях людської цивілізації.

Лідери надпровідних рішень

Американська корпорація надпровідників

AMSC — це компанія, що надає енергетичні рішення для енергомережі, кораблів і вітрової енергії. Загалом, чим енергоємніша чи масивніша система, тим більше їй потрібні надпровідні технології, щоб уникнути перегріву.

Незважаючи на свою назву, ASMC надає не тільки надпровідникові системи, але й, наприклад, зубчасті трансмісії для вітрових турбін.

Компанія використовує кілька факторів зростання, починаючи з тенденції електрифікації та цифровізації (включно з центрами обробки даних штучного інтелекту), а також перерозподілу виробничих потужностей США та необхідності модернізації військово-морських сил англосфери у відповідь на зростаючі геополітичні ризики.

джерело: Американська корпорація надпровідників

У сегменті електропостачання AMSC спостерігає постійне зростання замовлень. Це було зумовлено тим, що напівпровідникові фабрики прагнуть бути захищеними від коливань електромережі, допомагаючи мережі справлятися з переривчастою природою відновлюваних джерел енергії, а також електропостачання та керування на промислових об’єктах.

джерело: Американська корпорація надпровідників

У сегменті вітрових турбін AMSC в основному працює з електричною системою керування (ECS). Історично ESC був сильним сегментом для компанії з вітровими турбінами потужністю 2 МВт, але він поступово занепав. AMSC прагне відскочити завдяки новій конструкції турбіни потужністю 3 МВт, приділяючи особливу увагу ринку Індії.

Джерело: American Superconductor Corporation

Для військових кораблів ASMC постачає «Високотемпературну надпровідну магнітну протимінну систему AMSC» – систему для зміни магнітної сигнатури кораблів для захисту від морських мін. Ця система продається військово-морським силам США, Канади та Великої Британії, наразі замовлень на суму 75 мільйонів доларів.

Загалом, ASMC найкраще працює з використанням технології надпровідників у життєздатних сьогодні нішевих додатках, але, ймовірно, готова розгортати подальші досягнення в майбутньому. Інвесторам також слід зазначити, що в минулому акції зазнали надзвичайної волатильності, і відповідно розрахувати ризики.

Останнє про American Superconductor Corporation

Посилання на дослідження:

^{1.Чжоу, Г., Лв, В., Ван, Х. та інші(2025) Початок надпровідності під тиском навколишнього середовища вище 40 К в (La,Pr)3Ni2O7 Nature. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08755-z}