Oamenii de știință au descoperit un supraconductor de pionierat cu comutatoare pornit-oprit

Materialele au potențiale aplicații în circuitele supraconductoare pentru electronicele industriale de ultimă generație.

Cercetătorii au folosit o sursă avansată de fotoni pentru a investiga proprietățile rare ale acestui material, deschizând calea unei calcule mai eficiente la scară.

Pe măsură ce nevoile de calcul industrial cresc, la fel crește și dimensiunea și consumul de energie al hardware-ului necesar pentru a ține pasul cu aceste nevoi. O posibilă soluție la această dilemă poate fi găsită în materialele supraconductoare, care pot reduce semnificativ consumul de energie. Imaginați-vă că răciți un centru de date uriaș plin de servere care rulează aproape constant Zero absolutpermițând efectuarea de calcule la scară largă cu o eficiență energetică uimitoare.

Revoluție în cercetarea supraconductivității

Fizicienii de la Universitatea din Washington și Laboratorul Național Argonne al Departamentului de Energie al SUA au făcut o descoperire care ar putea ajuta la realizarea acestui viitor mai eficient. Cercetătorii au descoperit un material supraconductor care este unic sensibil la stimulii externi, permițând îmbunătățirea sau suprimarea proprietăților supraconductoare după bunul plac. Acest lucru deschide noi oportunități pentru circuite supraconductoare comutabile, eficiente din punct de vedere energetic. Lucrarea a fost publicată în Avansarea științei.

Supraconductivitatea este o fază mecanică cuantică a materiei în care un curent electric poate circula printr-un material cu rezistență zero. Acest lucru are ca rezultat o eficiență optimă a transferului electronic. Supraconductorii sunt folosiți în cei mai puternici electromagneți pentru tehnologii avansate, cum ar fi imagistica prin rezonanță magnetică, acceleratoare de particule, reactoare de fuziune și chiar trenuri din cer. Utilizări ale supraconductorilor au fost găsite și în… Statistici cantitative.

Provocări și inovații în tehnologiile de supraconductivitate

Electronica de astăzi utilizează tranzistori semiconductori pentru a porni și opri curenții electrici rapid, creând diodele și zerourile utilizate în procesarea informațiilor. Deoarece acești curenți trebuie să circule prin materiale cu rezistență electrică limitată, o parte din energie este irosită sub formă de căldură. Acesta este motivul pentru care computerul se încălzește în timp. Temperaturile scăzute necesare pentru supraconductivitate sunt de obicei mai mari de 200 de grade F Sub punctul de îngheț, acest material nu este practic pentru dispozitivele portabile. Cu toate acestea, poate fi util la nivel industrial.

Echipa de cercetare condusă de Chua Sanchez din Universitatea din Washington, investigând un material supraconductor neobișnuit cu reglabilitate excepțională. Acest cristal este alcătuit din foi plate de atomi de europiu magnetici prinși între straturi supraconductoare de atomi de fier, cobalt și arsen. Găsirea feromagnetismului și a supraconductivității împreună în natură este extrem de rară, potrivit lui Sanchez, cu o fază de obicei depășind-o pe cealaltă.

„Este de fapt o situație foarte incomodă pentru straturile supraconductoare, deoarece sunt străpunse de câmpurile magnetice de la atomii de europiu din jur”, a spus Sanchez. „Acest lucru slăbește supraconductivitatea și are ca rezultat o rezistență electrică limitată.”

Tehnici avansate de cercetare și rezultate

Pentru a înțelege interacțiunea dintre aceste faze, Sanchez a petrecut un an ca rezident la una dintre cele mai importante surse de lumină cu raze X ale națiunii, Advanced Photon Source (APS), o facilitate pentru utilizatori DOE Office of Science la Argonne. În timp ce era acolo, a primit sprijin din partea Programului de Cercetare pentru Studenți Absolvenți ai Departamentului de Energie. Lucrând cu fizicienii de la APS 4-ID și 6-ID beamlines, Sanchez a dezvoltat o platformă cuprinzătoare de caracterizare capabilă să examineze detaliile microscopice ale materialelor complexe.

Folosind o combinație de tehnici cu raze X, Sanchez și colaboratorii săi au reușit să arate că aplicarea unui câmp magnetic pe cristal ar putea redirecționa liniile câmpului magnetic al europiului pentru a rula paralel cu straturile supraconductoare. Acest lucru elimină efectele lor antagoniste și are ca rezultat o stare de rezistență zero. Folosind măsurători electrice și tehnici de împrăștiere a razelor X, oamenii de știință au putut să-și confirme capacitatea de a controla comportamentul materiei.

„Natura factorilor independenți care controlează supraconductivitatea este atât de fascinantă încât se poate identifica o modalitate completă de a controla acest efect”, a spus Philip Ryan de la Argonne, co-autor al lucrării. „Această posibilitate ridică multe idei fascinante, inclusiv capacitatea de a regla sensibilitatea câmpului dispozitivelor cuantice.”

Echipa a aplicat apoi presiuni asupra cristalului pentru a obține rezultate interesante. Ei au descoperit că supraconductivitatea ar putea fi întărită suficient pentru a depăși magnetismul chiar și fără redirecționarea câmpului sau suficient de slăbită încât reorientarea magnetică să nu poată produce o stare de rezistență zero. Acest parametru suplimentar permite controlul și personalizarea sensibilității materialului la magnetism.

„Acest material este incitant pentru că aveți o concurență intensă între mai multe faze și, prin aplicarea unei presiuni mici sau a unui câmp magnetic, puteți promova o fază peste cealaltă pentru a activa și opri supraconductibilitatea”, a spus Sanchez. „Marea majoritate a supraconductoarelor nu sunt nici pe departe la fel de ușor de convertibil.”

Referință: „Superconductivitate indusă de câmp comutabil” de 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 și Philip J. Ryan, 24 noiembrie 2023, Avansarea științei.
doi: 10.1126/sciadv.adj5200