Materiály majú potenciálne aplikácie v supravodivých obvodoch pre priemyselnú elektroniku novej generácie.

Výskumníci použili pokročilý zdroj fotónov na preskúmanie vzácnych vlastností tohto materiálu, čím otvorili cestu pre efektívnejšie výpočty vo veľkom meradle.

S rastom potrieb priemyselných počítačov rastie aj veľkosť a spotreba hardvéru potrebného na udržanie kroku s týmito potrebami. Potenciálne riešenie tejto dilemy možno nájsť v supravodivých materiáloch, ktoré dokážu výrazne znížiť spotrebu energie. Predstavte si chladenie obrovského dátového centra plného serverov, ktoré bežia takmer neustále Absolútna nulačo umožňuje vykonávať rozsiahle výpočty s úžasnou energetickou účinnosťou.

Prelom vo výskume supravodivosti

Fyzici z University of Washington a Argonne National Laboratory amerického ministerstva energetiky urobili objav, ktorý by mohol pomôcť umožniť túto efektívnejšiu budúcnosť. Výskumníci objavili supravodivý materiál, ktorý je jedinečne citlivý na vonkajšie podnety, čo umožňuje supravodivé vlastnosti ľubovoľne zosilniť alebo potlačiť. To otvára nové možnosti pre prepínateľné, energeticky účinné supravodivé obvody. Príspevok vyšiel v r Pokrok vedy.

Supravodivosť je kvantová mechanická fáza hmoty, kde elektrický prúd môže pretekať materiálom s nulovým odporom. Výsledkom je optimálna účinnosť elektronického prenosu. Supravodiče sa používajú v najvýkonnejších elektromagnetoch pre pokročilé technológie, ako je zobrazovanie magnetickou rezonanciou, urýchľovače častíc, fúzne reaktory a dokonca aj nebeské vlaky. Využitie supravodičov sa našlo aj v… Kvantitatívne štatistiky.

Výzvy a inovácie v technológiách supravodivosti

Dnešná elektronika používa polovodičové tranzistory na rýchle zapínanie a vypínanie elektrických prúdov, čím vznikajú diódy a šifry používané pri spracovaní informácií. Keďže tieto prúdy musia pretekať materiálmi s obmedzeným elektrickým odporom, časť energie sa stráca ako teplo. To je dôvod, prečo sa váš počítač časom zahrieva. Nízke teploty potrebné pre supravodivosť sú zvyčajne viac ako 200 stupňov F Pod bodom mrazu je tento materiál pre ručné zariadenia nepraktický. Môže to však byť užitočné na priemyselnej úrovni.

Výskumný tím pod vedením Chua Sancheza z Washingtonská univerzita, skúmajúci nezvyčajný supravodivý materiál s výnimočnou laditeľnosťou. Tento kryštál pozostáva z plochých plátov magnetických atómov európia vložených medzi supravodivé vrstvy atómov železa, kobaltu a arzénu. Spoločné nájdenie feromagnetizmu a supravodivosti v prírode je podľa Sancheza extrémne zriedkavé, pričom jedna fáza zvyčajne prevyšuje druhú.

„Je to skutočne veľmi nepríjemná situácia pre supravodivé vrstvy, pretože sú prepichnuté magnetickými poľami z okolitých atómov európia,“ povedal Sanchez. „To oslabuje supravodivosť a vedie k obmedzenému elektrickému odporu.“

Pokročilé výskumné techniky a výsledky

Aby pochopil súhru medzi týmito fázami, Sanchez strávil rok ako rezident v jednom z popredných národných röntgenových svetelných zdrojov, Advanced Photon Source (APS), používateľskom zariadení DOE Office of Science v Argonne. Kým tam bol, získal podporu od študijného programu postgraduálneho študentského výskumu Katedry energetiky. V spolupráci s fyzikmi na APS 4-ID a 6-ID beamlines, Sanchez vyvinul komplexnú charakterizačnú platformu schopnú skúmať mikroskopické detaily zložitých materiálov.

Pomocou kombinácie röntgenových techník sa Sanchezovi a jeho spolupracovníkom podarilo ukázať, že aplikácia magnetického poľa na kryštál môže presmerovať siločiary magnetického poľa európia tak, aby prebiehali paralelne so supravodivými vrstvami. Tým sa eliminujú ich antagonistické účinky a výsledkom je stav nulového odporu. Pomocou elektrických meraní a techník rozptylu röntgenových lúčov vedci dokázali potvrdiť svoju schopnosť kontrolovať správanie hmoty.

„Povaha nezávislých faktorov, ktoré riadia supravodivosť, je taká fascinujúca, že je možné zmapovať úplný spôsob kontroly tohto efektu,“ povedal Philip Ryan z Argonne, spoluautor článku. „Táto možnosť prináša mnoho fascinujúcich nápadov vrátane schopnosti regulovať citlivosť kvantových zariadení na pole.“

Tím potom použil tlak na kryštál, aby získal zaujímavé výsledky. Zistili, že supravodivosť môže byť dostatočne posilnená, aby prekonala magnetizmus aj bez presmerovania poľa, alebo dostatočne oslabená, aby magnetická reorientácia nemohla vytvoriť stav s nulovým odporom. Tento dodatočný parameter umožňuje kontrolovať a prispôsobiť citlivosť materiálu na magnetizmus.

„Tento materiál je vzrušujúci, pretože máte intenzívnu konkurenciu medzi viacerými fázami a aplikáciou malého tlaku alebo magnetického poľa môžete podporiť jednu fázu nad druhou, aby ste zapli a vypli supravodivosť,“ povedal Sanchez. „Prevažná väčšina supravodičov nie je ani zďaleka tak ľahko konvertibilná.“

Odkaz: „Supravodivosť vyvolaná prepínateľným poľom“ od Joshuu 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 a Philip J. Ryan, 24. novembra 2023, Pokrok vedy.
doi: 10.1126/sciadv.adj5200