Wetenschappers hebben een baanbrekende supergeleider ontdekt met aan-uitschakelaars

De materialen hebben potentiële toepassingen in supergeleidende circuits voor de volgende generatie industriële elektronica.

Onderzoekers gebruikten een geavanceerde fotonenbron om de zeldzame eigenschappen van dit materiaal te onderzoeken, waardoor de weg werd vrijgemaakt voor efficiënter computergebruik op schaal.

Naarmate de industriële computerbehoeften groeien, nemen ook de omvang en het stroomverbruik van de hardware toe die nodig is om aan deze behoeften te voldoen. Een mogelijke oplossing voor dit dilemma kan worden gevonden in supergeleidende materialen, die het energieverbruik aanzienlijk kunnen verminderen. Stel je voor dat je een gigantisch datacenter vol met servers koelt die bijna constant draaien Absolute nulpuntwaardoor grootschalige berekeningen kunnen worden uitgevoerd met een verbazingwekkende energie-efficiëntie.

Doorbraak in onderzoek naar supergeleiding

Natuurkundigen van de Universiteit van Washington en het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben een ontdekking gedaan die deze efficiëntere toekomst mogelijk zou kunnen maken. Onderzoekers hebben een supergeleidend materiaal ontdekt dat op unieke wijze gevoelig is voor externe prikkels, waardoor supergeleidende eigenschappen naar believen kunnen worden versterkt of onderdrukt. Dit opent nieuwe mogelijkheden voor schakelbare, energiezuinige supergeleidende circuits. Het artikel werd gepubliceerd in Vooruitgang van de wetenschap.

Supergeleiding is een kwantummechanische fase van materie waarbij een elektrische stroom zonder weerstand door een materiaal kan stromen. Dit resulteert in een optimale elektronische overdrachtsefficiëntie. Supergeleiders worden gebruikt in de krachtigste elektromagneten voor geavanceerde technologieën zoals magnetische resonantiebeeldvorming, deeltjesversnellers, fusiereactoren en zelfs luchttreinen. Er zijn ook toepassingen van supergeleiders gevonden in… Kwantitatieve statistieken.

Uitdagingen en innovaties in supergeleidingstechnologieën

De hedendaagse elektronica maakt gebruik van halfgeleidertransistors om elektrische stromen snel aan en uit te zetten, waardoor de diodes en nullen ontstaan ​​die worden gebruikt bij informatieverwerking. Omdat deze stromen door materialen met een beperkte elektrische weerstand moeten stromen, wordt een deel van de energie verspild als warmte. Dit is de reden waarom uw computer na verloop van tijd warmer wordt. De lage temperaturen die nodig zijn voor supergeleiding zijn doorgaans meer dan 200 graden F Onder het vriespunt is dit materiaal onpraktisch voor draagbare apparaten. Op industrieel niveau kan het echter nuttig zijn.

Het onderzoeksteam onder leiding van Chua Sanchez uit universiteit van Washington, onderzoek naar een ongebruikelijk supergeleidend materiaal met uitzonderlijke afstembaarheid. Dit kristal bestaat uit platte lagen magnetische europiumatomen ingeklemd tussen supergeleidende lagen ijzer-, kobalt- en arseenatomen. Het vinden van ferromagnetisme en supergeleiding samen in de natuur is volgens Sanchez uiterst zeldzaam, waarbij de ene fase de andere meestal overheerst.

“Het is eigenlijk een zeer ongemakkelijke situatie voor de supergeleidende lagen, omdat ze worden doorboord door magnetische velden van de omringende europiumatomen,” zei Sanchez. “Dit verzwakt de supergeleiding en resulteert in een beperkte elektrische weerstand.”

Geavanceerde onderzoekstechnieken en resultaten

Om de wisselwerking tussen deze fasen te begrijpen, bracht Sanchez een jaar door als inwoner van een van de toonaangevende röntgenlichtbronnen van het land, de Advanced Photon Source (APS), een gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science in Argonne. Terwijl hij daar was, kreeg hij steun van het Graduate Student Research Program van het Department of Energy Science. In samenwerking met natuurkundigen van APS 4-ID en 6-ID bundellijnen heeft Sanchez een uitgebreid karakteriseringsplatform ontwikkeld dat in staat is de microscopische details van complexe materialen te onderzoeken.

Met behulp van een combinatie van röntgentechnieken konden Sanchez en zijn medewerkers aantonen dat het aanleggen van een magnetisch veld op het kristal de magnetische veldlijnen van europium zou kunnen omleiden zodat ze parallel lopen aan de supergeleidende lagen. Dit elimineert hun antagonistische effecten en resulteert in een toestand van nulweerstand. Met behulp van elektrische metingen en röntgenverstrooiingstechnieken konden wetenschappers hun vermogen bevestigen om het gedrag van materie te controleren.

“De aard van de onafhankelijke factoren die supergeleiding controleren is zo fascinerend dat je een complete manier kunt bedenken om dit effect te beheersen”, zegt Philip Ryan van Argonne, co-auteur van het artikel. “Deze mogelijkheid roept veel fascinerende ideeën op, waaronder het vermogen om de veldgevoeligheid van kwantumapparaten te reguleren.”

Het team oefende vervolgens druk uit op het kristal om interessante resultaten te verkrijgen. Ze ontdekten dat de supergeleiding voldoende versterkt kon worden om magnetisme te overwinnen, zelfs zonder veldomleiding, of zo verzwakt dat magnetische heroriëntatie geen toestand van nulweerstand kon produceren. Met deze extra parameter kan de gevoeligheid van het materiaal voor magnetisme worden gecontroleerd en aangepast.

“Dit materiaal is opwindend omdat je hevige concurrentie hebt tussen meerdere fasen, en door een kleine druk of een magnetisch veld uit te oefenen, kun je de ene fase boven de andere bevorderen om supergeleiding aan en uit te zetten”, zegt Sanchez. “De overgrote meerderheid van de supergeleiders is lang niet zo gemakkelijk converteerbaar.”

Referentie: “Schakelbare veldgeïnduceerde supergeleiding” door 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 en Philip J. Ryan, 24 november 2023, Vooruitgang van de wetenschap.
doi: 10.1126/sciadv.adj5200