NUS відкриває матеріал без міді з високотемпературною надпровідністю

Команда Потенціал надпровідності

Електрика є однією з найважливіших технологій, коли-небудь винайдених людством. У своїй звичайній формі він завжди має справу з певним рівнем електричного опору, виробляючи тепло під час циркуляції електричного струму.
Це може мати серйозні обмеження для деяких застосувань, які вимагають занадто сильного струму або магнітних полів, оскільки це призведе до простого розплавлення будь-якої електричної системи.

Альтернативою є надпровідність, явище, коли електричний опір падає до нуля. Однак протягом дуже тривалого часу його можна було спостерігати лише за наднизьких температур, близьких до абсолютного нуля (0 K), або приблизно -273°C/-387°K.

Це змінилося з відкриття, яке присудило Нобелівську премію з фізики в 1987 році: високотемпературні надпровідники з оксидів міді.

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

Надпровідність також буде 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

Висока температура Надпровідність

На даний момент вимога до низьких температур робить надпровідність економічно життєздатною лише для високотехнологічних застосувань: магнітне підведення, МРТ тощо.

І хоча наукова цікава, надпровідність під високим тиском є ​​відносно марною з точки зору практичного застосування.

Нещодавно в області надпровідності відбувся досить великий прогрес, який може змінити ситуацію:

• Тепер здається, що матеріал, отриманий під високим тиском, може зберегти частину своєї надпровідності при нижчому тиску за допомогою експериментального методу під назвою протокол гасіння тиску (PQP).
• Twподвійний шар WSe₂ (вольфрамовий селен) також виявився хорошим кандидатом на створення високотемпературних надпровідників.
• Інший новий клас потенційних надпровідників, двошарові нікелати, також міг бути доданий до списку цього року.
• Потім з'явився загадковий випадок LK-99(форма заміщеного міддю апатиту свинцю – CSLA), потенційно новий тип надпровідника кімнатної температури при навколишньому тиску.
  • Твердження було негайно оскаржено та розкритиковано як обман чи помилка вимірювань, але потім інші дослідники виявили, що все-таки щось може статися.

Незважаючи на ці нові відкриття, надпровідність в значній мірі є недостатньо вивченим явищем, і багато знімків у темряві намагаються знайти нові матеріали з такою характеристикою. Тому потрібна краща теоретична основа.

Одна частина головоломки було знайдено в березні 2025 року з кращим розумінням того, які можливі вищі температури для надпровідності (Tc).

Ще один — створення дослідниками з Національного університету Сінгапуру нової теоретичної моделі, яка вже привела до відкриття надпровідного матеріалу без міді. Про це досягнення нещодавно оголосили в престижному науковому виданні Nature¹, під назвою «Об’ємна надпровідність біля 40 К у SmNiO2, легованому дірками, за тиску навколишнього середовища".

Нова модель надпровідності

Пояснення надпровідності

Дослідники працювали над розробкою нової теоретичної моделі, що пояснює, як працює надпровідність. Це складна тема, яку можна стисло описати кількома ключовими поняттями:

Куперські пари, або два електрони, з’єднані разом через квантовий ефект, є ключовим елементом для створення надпровідності матеріалу.

Саме конденсація куперівських пар створює надпровідність, принаймні на думку дослідників, які спочатку пояснили надпровідність (теорія Бардіна–Купера–Шріффера, або теорія БКШ) і виграли Нобелівська премія з фізики 1972 року за цю ідею.

Це фонониабо вібрації на квантовому рівні решітки матеріалу, які спричиняють спаровування електронів у куперівських парах. Коли утворюється достатня кількість куперівських пар, це забезпечує рух електронів у всьому матеріалі без зіткнень, усуваючи електричний опір.

джерело: П'ятикратна

Прогнозування та створення нових надпровідників

Нова модель, яка передбачає утворення пари Купера, допомагає досліднику передбачити багато потенційних надпровідників, у тому числі багато, які не містять атомів міді.

Потім вони успішно синтезували один із передбачених матеріалів: оксид самарію-європію-кальцію-нікелю (Sm-Eu-Ca)NiO₂.

«Як ми передбачили та спроектували, цей надпровідний оксид без міді демонструє високотемпературну надпровідність під атмосферним тиском на рівні моря без необхідності додаткового стиснення — як і оксиди міді.

Це відкриття свідчить про те, що нетрадиційна високотемпературна надпровідність властива не тільки міді, але може бути більш поширеною властивістю серед елементів періодичної таблиці».

Доктор Стівен Лін Ер Чоу – науковий співробітник Національного університету Сінгапуру

Вони також підтвердили нульовий електричний опір (надпровідність) значно вище 30 K у цієї сполуки. Це не тільки новий матеріал для експериментів, але й доказ того, що модель, яку вони використали, має прогностичну цінність, імовірно, це означає, що інший передбачений надпровідний матеріал також може працювати. Це перше відкриття такого високотемпературного надпровідника з 1990-х років.

джерело: Національний університет Сінгапуру

Чжаоян Луо, аспірант Національного університету Сінгапуру, продемонстрував високу кристалічність і чистофазову природу синтезованого матеріалу за допомогою електронної мікроскопії. Це робить новий матеріал дуже стабільним, що робить його хорошим кандидатом для потенційного майбутнього промислового застосування.

«Це вперше після Нобелівського відкриття, що високотемпературний надпровідний оксид без міді функціонує під тиском навколишнього середовища.

Крім того, цей новий матеріал дуже стабільний в умовах навколишнього середовища, що значно покращує його доступність».

Пр. Аріандо – Професор в Національний університет Сінгапуру

Метод виробництва нового матеріалу також досить надійний, при цьому не виникає структурних дефектів, що ще більше збільшує потенціал для практичного застосування.

Програми та майбутні розробки

Тепер, коли у них є більш надійна теоретична основа, дослідники можуть спробувати налаштувати деякі конкретні параметри надпровідних матеріалів. Зокрема, вони згадують атомні та молекулярні характеристики, такі як електронне зміщення зайнятості та гідростатичний тиск.

Це може відкрити шлях до абсолютно нових типів надпровідників або, можливо, навіть нового сімейства надпровідників із ще вищими робочими температурами.

Будь-який високотемпературний надпровідник, який можна виготовити в масштабі, може мати два основні наслідки:

• Різко знизити вартість технологій, які в даний час використовують надпровідники, демократизуючи їх використання, особливо маглев і МРТ.
• Відкрийте нові сфери використання, особливо якщо температура Tc досягне достатньо високої температури, щоб відповідати рідкому азоту (-196°C / -320°F), набагато дешевшому та легкому у виробництві охолоджувача, ніж ті, що зараз використовуються для надпровідних матеріалів.
  • Ці нові програми можуть включати передачу енергії, накопичення енергії, лазери, кораблі, космічні двигуни та доступ до орбіти (приводи маси) тощо.

Це спостереження має глибоке значення як для теоретичного розуміння, так і для експериментальної реалізації ширшого спектру надпровідних матеріалів із практичним застосуванням у сучасній електроніці,

Пр. Аріандо - Професор в Національний університет Сінгапуру

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: American Superconductor Corporation

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.

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: Американська корпорація надпровідників

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 акції зазнали надзвичайної волатильності в минулому, і вони повинні відповідно розрахувати ризики.

Останнє про American Superconductor Corporation

Посилання на дослідження:

^{1. Чоу, SLE, Луо, З. та Аріандо, (2025) A. Об’ємна надпровідність поблизу 40 K у SmNiO, легованому дірками2при тиску навколишнього середовища. Nature. 20 березня 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08893-4}