Ein Team von Physikern hat ein neues supraleitendes Material mit einzigartiger Einstellbarkeit für externe Reize entdeckt, das Fortschritte im energieeffizienten Rechnen und in der Quantentechnologie verspricht. Dieser Durchbruch, der durch fortschrittliche Forschungstechniken erreicht wurde, ermöglicht eine beispiellose Kontrolle über supraleitende Eigenschaften und könnte möglicherweise großtechnische industrielle Anwendungen revolutionieren.
Das Material hat potenzielle Anwendungen in supraleitenden Schaltkreisen für die nächste Generation der Industrieelektronik.
Forscher nutzten die Advanced Photon Source, um die seltenen Eigenschaften dieses Materials zu überprüfen und möglicherweise den Weg für effizientere Großrechner zu ebnen.
Mit dem wachsenden Bedarf an industrieller Datenverarbeitung steigen auch die Größe und der Energieverbrauch der Hardware, die erforderlich ist, um mit diesen Anforderungen Schritt zu halten. Eine mögliche Lösung für dieses Dilemma könnten supraleitende Materialien sein, die den Energieverbrauch exponentiell reduzieren können. Stellen Sie sich vor, ein riesiges Rechenzentrum voller ständig laufender Server auf fast 100 % herunterzukühlen Absoluter NullpunktDies ermöglicht groß angelegte Berechnungen mit unglaublicher Energieeffizienz.
Durchbruch in der Supraleitungsforschung
Physiker der University of Washington und des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) haben eine Entdeckung gemacht, die dazu beitragen könnte, diese effizientere Zukunft zu ermöglichen. Forscher haben ein supraleitendes Material gefunden, das auf einzigartige Weise empfindlich auf äußere Reize reagiert und es ermöglicht, die supraleitenden Eigenschaften nach Belieben zu verstärken oder zu unterdrücken. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für energieeffiziente schaltbare supraleitende Schaltkreise. Das Papier wurde veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte.
Supraleitung ist eine quantenmechanische Phase der Materie, in der ein elektrischer Strom ohne Widerstand durch ein Material fließen kann. Dies führt zu einer perfekten elektronischen Transporteffizienz. Supraleiter werden in den leistungsstärksten Elektromagneten für fortschrittliche Technologien wie Magnetresonanztomographie, Teilchenbeschleuniger, Fusionsreaktoren und sogar schwebende Züge eingesetzt. Supraleiter haben auch Verwendung gefunden Quanten-Computing.
Herausforderungen und Innovationen in supraleitenden Technologien
Die heutige Elektronik verwendet Halbleitertransistoren, um elektrische Ströme schnell ein- und auszuschalten und so die binären Einsen und Nullen zu erzeugen, die bei der Informationsverarbeitung verwendet werden. Da diese Ströme durch Materialien mit endlichem elektrischem Widerstand fließen müssen, wird ein Teil der Energie als Wärme verschwendet. Aus diesem Grund erwärmt sich Ihr Computer mit der Zeit. Die für die Supraleitung nötigen niedrigen Temperaturen betragen meist mehr als 200 Grad Fahrenheit Temperaturen unter dem Gefrierpunkt machen diese Materialien für tragbare Geräte unbrauchbar. Allerdings könnten sie möglicherweise im industriellen Maßstab nützlich sein.
Das Forschungsteam unter der Leitung von Shua Sanchez von der Universität von Washingtonuntersuchten ein ungewöhnliches supraleitendes Material mit außergewöhnlicher Abstimmbarkeit. Dieser Kristall besteht aus flachen Schichten ferromagnetischer Europiumatome, die zwischen supraleitenden Schichten aus Eisen-, Kobalt- und Arsenatomen eingebettet sind. Laut Sanchez kommt es in der Natur äußerst selten vor, dass Ferromagnetismus und Supraleitung gleichzeitig vorhanden sind, da normalerweise eine Phase die andere überwältigt.
„Für die supraleitenden Schichten ist es tatsächlich eine sehr unangenehme Situation, da sie von den Magnetfeldern der umgebenden Europiumatome durchdrungen werden“, sagte Sanchez. „Dies schwächt die Supraleitung und führt zu einem endlichen elektrischen Widerstand.“
Fortgeschrittene Forschungstechniken und Erkenntnisse
Um die Wechselwirkung dieser Phasen zu verstehen, verbrachte Sanchez ein Jahr als Assistenzarzt an einer der führenden Röntgenlichtquellen des Landes, der Advanced Photon Source (APS), einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science in Argonne. Dort wurde er vom Science Graduate Student Research Programm des DOE unterstützt. In Zusammenarbeit mit Physikern an den APS-Beamlines 4-ID und 6-ID entwickelte Sanchez eine umfassende Charakterisierungsplattform, mit der sich die mikroskopischen Details komplexer Materialien untersuchen lassen.
Mithilfe einer Kombination von Röntgentechniken konnten Sanchez und seine Mitarbeiter zeigen, dass das Anlegen eines Magnetfelds an den Kristall die Magnetfeldlinien des Europiums so umorientieren kann, dass sie parallel zu den supraleitenden Schichten verlaufen. Dadurch werden ihre antagonistischen Wirkungen aufgehoben und es entsteht ein Null-Widerstandszustand. Mithilfe elektrischer Messungen und Röntgenstreutechniken konnten Wissenschaftler bestätigen, dass sie das Verhalten des Materials steuern konnten.
„Die Natur unabhängiger Parameter, die die Supraleitung steuern, ist ziemlich faszinierend, da man eine vollständige Methode zur Steuerung dieses Effekts entwickeln könnte“, sagte Philip Ryan von Argonne, Mitautor des Artikels. „Dieses Potenzial bringt mehrere faszinierende Ideen hervor, darunter die Fähigkeit, die Feldempfindlichkeit für Quantengeräte zu regulieren.“
Anschließend übte das Team Spannungen auf den Kristall aus, was zu interessanten Ergebnissen führte. Sie fanden heraus, dass die Supraleitung entweder so stark verstärkt werden konnte, dass der Magnetismus auch ohne Neuausrichtung des Feldes überwunden werden konnte, oder so stark geschwächt werden konnte, dass die magnetische Neuausrichtung den Nullwiderstandszustand nicht mehr erzeugen konnte. Dieser zusätzliche Parameter ermöglicht die Steuerung und individuelle Anpassung der Empfindlichkeit des Materials gegenüber Magnetismus.
„Dieses Material ist spannend, weil es einen engen Wettbewerb zwischen mehreren Phasen gibt und man durch Anlegen einer kleinen Spannung oder eines Magnetfelds eine Phase gegenüber der anderen verstärken kann, um die Supraleitung ein- und auszuschalten“, sagte Sanchez. „Die allermeisten Supraleiter sind bei weitem nicht so leicht schaltbar.“
Referenz: „Dehnungsschaltbare feldinduzierte Supraleitung“ von Joshua J. Sanchez, Gilberto Fabbris, Yongseong Choi, Jonathan M. DeStefano, Elliott Rosenberg, Yue Shi, Paul Malinowski, Yina Huang, Igor I. Mazin, Jong-Woo Kim, Jiun-Haw Chu und Philip J. Ryan, 24. November 2023, Wissenschaftliche Fortschritte.
DOI: 10.1126/sciadv.adj5200