A tudósok egy úttörő szupravezetőt fedeztek fel be-ki kapcsolókkal

Az anyagok potenciálisan alkalmazhatók a következő generációs ipari elektronika szupravezető áramköreiben.

A kutatók egy fejlett fotonforrást használtak ennek az anyagnak a ritka tulajdonságainak vizsgálatára, megnyitva az utat a nagyobb léptékű, hatékonyabb számítástechnika felé.

Ahogy nőnek az ipari számítástechnikai igények, úgy növekszik a szükséges hardver mérete és energiafogyasztása is, hogy lépést tartsunk ezekkel az igényekkel. Erre a dilemmára potenciális megoldást találhatunk a szupravezető anyagokban, amelyek jelentősen csökkenthetik az energiafogyasztást. Képzeljen el egy óriási adatközpontot, amely tele van szinte folyamatosan működő szerverekkel Abszolút nullaamely lehetővé teszi nagyszabású számítások elvégzését elképesztő energiahatékonysággal.

Áttörés a szupravezetés kutatásában

A Washingtoni Egyetem és az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Argonne Nemzeti Laboratóriumának fizikusai olyan felfedezést tettek, amely elősegítheti ezt a hatékonyabb jövőt. A kutatók egy olyan szupravezető anyagot fedeztek fel, amely egyedülállóan érzékeny a külső ingerekre, és lehetővé teszi a szupravezető tulajdonságok tetszőleges fokozását vagy elnyomását. Ez új lehetőségeket nyit a kapcsolható, energiahatékony szupravezető áramkörök számára. A lap ben jelent meg A tudomány fejlődése.

A szupravezetés az anyag olyan kvantummechanikai fázisa, amelyben elektromos áram áramolhat át nulla ellenállású anyagon. Ez optimális elektronikus átviteli hatékonyságot eredményez. A szupravezetőket a legerősebb elektromágnesekben használják olyan fejlett technológiákhoz, mint a mágneses rezonancia képalkotás, a részecskegyorsítók, a fúziós reaktorok és még az égi vonatok is. Szupravezetők alkalmazását is találták… Mennyiségi statisztika.

Kihívások és innovációk a szupravezetési technológiákban

A mai elektronika félvezető tranzisztorokat használ az elektromos áram gyors be- és kikapcsolására, létrehozva az információfeldolgozásban használt diódákat és titkosításokat. Mivel ezeknek az áramoknak korlátozott elektromos ellenállású anyagokon kell átfolyniuk, az energia egy része hőként elpazarol. Ez az oka annak, hogy a számítógép idővel felmelegszik. A szupravezetéshez szükséges alacsony hőmérséklet jellemzően több mint 200 fok F Fagypont alatt ez az anyag nem praktikus kézi eszközökhöz. Ipari szinten azonban hasznos lehet.

A Chua Sanchez által vezetett kutatócsoport Washingtoni Egyetem, amely egy kivételes hangolhatóságú szokatlan szupravezető anyagot vizsgál. Ez a kristály mágneses europium atomok lapos lapjaiból áll, amelyek vas-, kobalt- és arzénatomok szupravezető rétegei közé helyezkednek el. A ferromágnesesség és a szupravezetés együttes megtalálása a természetben Sanchez szerint rendkívül ritka, az egyik fázis általában felülmúlja a másikat.

„Ez valójában nagyon kényelmetlen helyzet a szupravezető rétegek számára, mivel a környező európium atomok mágneses mezői átütik őket” – mondta Sanchez. „Ez gyengíti a szupravezetést, és korlátozott elektromos ellenállást eredményez.”

Fejlett kutatási technikák és eredmények

Hogy megértse e fázisok közötti kölcsönhatást, Sanchez egy évet töltött az ország egyik vezető röntgenfényforrásánál, az Advanced Photon Source-nál (APS), a DOE Tudományos Hivatal felhasználói létesítményénél Argonne-ban. Ott tartózkodása alatt támogatást kapott az Energetikai Tanszék Tudományos Diákköri Kutatási Programjától. Az APS 4-ID és 6-ID beamlines fizikusaival együttműködve Sanchez egy átfogó jellemzési platformot fejlesztett ki, amely képes komplex anyagok mikroszkopikus részleteinek vizsgálatára.

A röntgentechnikák kombinációjával Sanchez és munkatársai be tudták mutatni, hogy mágneses mező alkalmazása a kristályra átirányíthatja az európium mágneses erővonalait, hogy párhuzamosan futjanak a szupravezető rétegekkel. Ez kiküszöböli antagonista hatásukat, és nulla rezisztencia állapotot eredményez. Elektromos mérések és röntgenszórási technikák segítségével a tudósok meg tudták igazolni, hogy képesek szabályozni az anyag viselkedését.

„A szupravezetést szabályozó független tényezők természete annyira lenyűgöző, hogy fel lehet térképezni egy teljes módot ennek a hatásnak a szabályozására” – mondta Philip Ryan of Argonne, a cikk társszerzője. „Ez a lehetőség számos lenyűgöző ötletet vet fel, beleértve a kvantumeszközök térérzékenységének szabályozásának képességét.”

A csapat ezután nyomást gyakorolt ​​a kristályra, hogy érdekes eredményeket kapjon. Azt találták, hogy a szupravezetés kellőképpen megerősíthető ahhoz, hogy legyőzze a mágnesességet még térátirányítás nélkül is, vagy eléggé legyengíthető ahhoz, hogy a mágneses átirányítás ne tudjon nulla ellenállású állapotot létrehozni. Ez a kiegészítő paraméter lehetővé teszi az anyag mágneses érzékenységének szabályozását és testreszabását.

„Ez az anyag izgalmas, mert intenzív verseny van több fázis között, és kis nyomás vagy mágneses mező alkalmazásával elősegítheti az egyik fázist a másikkal szemben, hogy be- és kikapcsolja a szupravezetést” – mondta Sanchez. „A szupravezetők túlnyomó többsége közel sem olyan könnyen átalakítható.”

Hivatkozás: „Átkapcsolható mező által indukált szupravezetés”, Joshua J. Sanchez, Gilberto Fabres, Youngseong Choi, Jonathan M. DeStefano, Elliott Rosenberg, Yue Shi, Paul Malinowski, Yina Huang, Igor Mazin, Jung-Woo Kim, Jeon-Hao Cho és Philip J. Ryan, 2023. november 24. A tudomány fejlődése.
doi: 10.1126/sciadv.adj5200