Wissenschaftler haben einen bahnbrechenden Supraleiter mit Ein-Aus-Schaltern entdeckt

Die Materialien haben potenzielle Anwendungen in supraleitenden Schaltkreisen für die Industrieelektronik der nächsten Generation.

Forscher verwendeten eine fortschrittliche Photonenquelle, um die seltenen Eigenschaften dieses Materials zu untersuchen und so den Weg für effizientere Berechnungen im großen Maßstab zu ebnen.

Mit dem wachsenden Bedarf an industrieller Datenverarbeitung steigen auch die Größe und der Stromverbrauch der Hardware, die erforderlich ist, um mit diesen Anforderungen Schritt zu halten. Eine mögliche Lösung für dieses Dilemma sind supraleitende Materialien, die den Energieverbrauch deutlich senken können. Stellen Sie sich vor, Sie kühlen ein riesiges Rechenzentrum voller Server, die fast ständig laufen Absoluter NullpunktDamit können groß angelegte Berechnungen mit erstaunlicher Energieeffizienz durchgeführt werden.

Durchbruch in der Supraleitungsforschung

Physiker der University of Washington und des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums haben eine Entdeckung gemacht, die dazu beitragen könnte, diese effizientere Zukunft zu ermöglichen. Forscher haben ein supraleitendes Material entdeckt, das auf einzigartige Weise empfindlich auf äußere Reize reagiert und es ermöglicht, supraleitende Eigenschaften nach Belieben zu verstärken oder zu unterdrücken. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für schaltbare, energieeffiziente supraleitende Schaltkreise. Das Papier wurde veröffentlicht in Fortschritt der Wissenschaft.

Supraleitung ist eine quantenmechanische Phase der Materie, in der ein elektrischer Strom ohne Widerstand durch ein Material fließen kann. Dies führt zu einer optimalen elektronischen Übertragungseffizienz. Supraleiter werden in den leistungsstärksten Elektromagneten für fortschrittliche Technologien wie Magnetresonanztomographie, Teilchenbeschleuniger, Fusionsreaktoren und sogar Skytrains verwendet. Anwendungen von Supraleitern wurden auch in… gefunden. Quantitative Statistik.

Herausforderungen und Innovationen in Supraleitungstechnologien

Die heutige Elektronik verwendet Halbleitertransistoren, um elektrische Ströme schnell ein- und auszuschalten und so die Dioden und Nullstellen zu erzeugen, die bei der Informationsverarbeitung verwendet werden. Da diese Ströme durch Materialien mit begrenztem elektrischem Widerstand fließen müssen, geht ein Teil der Energie als Wärme verloren. Aus diesem Grund wird Ihr Computer mit der Zeit heißer. Die für die Supraleitung erforderlichen niedrigen Temperaturen betragen typischerweise mehr als 200 Grad F Unterhalb des Gefrierpunkts ist dieses Material für Handgeräte unpraktisch. Auf industrieller Ebene kann es jedoch nützlich sein.

Das Forschungsteam um Chua Sanchez aus Universität von Washington, Untersuchung eines ungewöhnlichen supraleitenden Materials mit außergewöhnlicher Abstimmbarkeit. Dieser Kristall besteht aus flachen Schichten magnetischer 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 vorkommen, wobei 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 begrenzten elektrischen Widerstand.“

Fortgeschrittene Forschungstechniken und -ergebnisse

Um das Zusammenspiel dieser Phasen zu verstehen, verbrachte Sanchez ein Jahr als Assistenzarzt an einer der führenden Röntgenlichtquellen des Landes, der Advanced Photon Source (APS), einer Nutzereinrichtung des DOE Office of Science in Argonne. Dort erhielt er Unterstützung vom Science Graduate Student Research Program des Energieministeriums. In Zusammenarbeit mit Physikern der APS 4-ID- und 6-ID-Beamlines hat Sanchez eine umfassende Charakterisierungsplattform entwickelt, mit der sich die mikroskopischen Details komplexer Materialien untersuchen lassen.

Mithilfe einer Kombination von Röntgentechniken konnten Sanchez und seine Mitarbeiter zeigen, dass durch Anlegen eines Magnetfelds an den Kristall die Magnetfeldlinien von Europium so umgelenkt werden konnten, dass sie parallel zu den supraleitenden Schichten verlaufen. Dadurch werden ihre antagonistischen Wirkungen eliminiert und es entsteht ein Zustand ohne Widerstand. Mithilfe elektrischer Messungen und Röntgenstreutechniken konnten Wissenschaftler ihre Fähigkeit bestätigen, das Verhalten von Materie zu steuern.

„Die Natur der unabhängigen Faktoren, die die Supraleitung steuern, ist so faszinierend, dass man einen vollständigen Weg zur Kontrolle dieses Effekts aufzeigen kann“, sagte Philip Ryan von Argonne, einer der Mitautoren der Studie. „Diese Möglichkeit wirft viele faszinierende Ideen auf, einschließlich der Möglichkeit, die Feldempfindlichkeit von Quantengeräten zu regulieren.“

Anschließend übte das Team Druck auf den Kristall aus, um interessante Ergebnisse zu erzielen. Sie fanden heraus, dass die Supraleitung so stark gestärkt werden konnte, dass sie den Magnetismus auch ohne Feldumlenkung überwinden konnte, oder so stark geschwächt werden konnte, dass eine magnetische Neuorientierung keinen Nullwiderstandszustand erzeugen konnte. Mit diesem zusätzlichen Parameter kann die Empfindlichkeit des Materials gegenüber Magnetismus gesteuert und angepasst werden.

„Dieses Material ist spannend, weil es einen intensiven Wettbewerb zwischen mehreren Phasen gibt und durch Anlegen eines kleinen Drucks oder Magnetfelds eine Phase gegenüber der anderen gefördert werden kann, um die Supraleitung ein- und auszuschalten“, sagte Sanchez. „Die allermeisten Supraleiter sind bei weitem nicht so leicht umwandelbar.“

Referenz: „Switchable Field-Induced Supraconductivity“ von 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 und Philip J. Ryan, 24. November 2023, Fortschritt der Wissenschaft.
doi: 10.1126/sciadv.adj5200