Вчені відкривають революційний надпровідник із перемикачами

Матеріал має потенційне застосування в надпровідних схемах для наступного покоління промислової електроніки. Дослідники використовували Advanced Photon Source, щоб перевірити рідкісні характеристики цього матеріалу, що потенційно прокладає шлях до більш ефективних великомасштабних обчислень.

У міру зростання потреб у промислових обчисленнях зростає розмір і енергоспоживання апаратного забезпечення, необхідного для задоволення цих потреб. Можливе рішення цієї дилеми можна знайти в надпровідних матеріалах, які можуть експоненціально зменшити споживання енергії. Уявіть собі, що гігантський центр обробки даних, повний постійно працюючих серверів, охолоджується майже до абсолютного нуля, забезпечуючи масштабні обчислення з неймовірною енергоефективністю.

Прорив у дослідженні надпровідності

Фізики з Вашингтонського університету та Аргонської національної лабораторії Міністерства енергетики США (DOE) зробили відкриття, яке може допомогти створити це ефективніше майбутнє. Дослідники знайшли надпровідний матеріал, який унікально чутливий до зовнішніх подразників, що дозволяє посилювати або пригнічувати властивості надпровідності за бажанням. Це відкриває нові можливості для енергоефективних перемиканих надпровідних схем. Стаття була опублікована в Science Advances.

Надпровідність — це квантово-механічна фаза матерії, в якій електричний струм може протікати через матеріал з нульовим опором. Це забезпечує ідеальну ефективність електронного транспорту. Надпровідники використовуються в найпотужніших електромагнітах для передових технологій, таких як магнітно-резонансна томографія, прискорювачі елементарних частинок, термоядерні реактори та навіть левітаційні поїзди. Надпровідники також знайшли застосування у квантових обчисленнях.

Виклики та інновації в надпровідних технологіях

Сучасна електроніка використовує напівпровідникові транзистори для швидкого вмикання та вимикання електричних струмів, створюючи двійкові одиниці та нулі, які використовуються в обробці інформації. Оскільки ці струми повинні протікати через матеріали з обмеженим електричним опором, частина енергії витрачається даремно у вигляді тепла. Ось чому ваш комп’ютер з часом нагрівається. Низькі температури, необхідні для надпровідності, зазвичай вище 200 градусів за Фаренгейтом нижче нуля, роблять ці матеріали непрактичними для портативних пристроїв. Однак вони можуть бути корисними в промислових масштабах.

Дослідницька група під керівництвом Шуа Санчеса з Університету Вашингтона вивчила незвичайний надпровідний матеріал із винятковою можливістю налаштування. Цей кристал складається з плоских листів феромагнітних атомів європію, затиснутих між надпровідними шарами атомів заліза, кобальту та миш’яку. За словами Санчеса, виявлення феромагнетизму та надпровідності разом у природі надзвичайно рідкісне, оскільки одна фаза зазвичай переважає іншу.

«Насправді це дуже незручна ситуація для надпровідних шарів, оскільки вони пронизані магнітними полями навколишніх атомів європію», — сказав Санчес. «Це послаблює надпровідність і призводить до кінцевого електричного опору».

Передові дослідницькі методи та висновки

Щоб зрозуміти взаємодію цих фаз, Санчес провів рік як резидент в одному з провідних джерел рентгенівського світла країни, Advanced Photon Source (APS), призначеному для користувачів Управлінні науки Міністерства економічної науки в Аргонні. Під час перебування там його підтримала науково-дослідницька програма аспірантів Міністерства освіти. Працюючи з фізиками APS beamlines 4-ID і 6-ID, Санчес розробив комплексну платформу для визначення характеристик, здатну досліджувати мікроскопічні деталі складних матеріалів.

Використовуючи комбінацію рентгенівських методів, Санчес і його співробітники змогли показати, що застосування магнітного поля до кристала може переорієнтувати лінії магнітного поля європію, щоб вони проходили паралельно надпровідним шарам. Це усуває їхні антагоністичні ефекти та викликає стан нульового опору. Використовуючи електричні вимірювання та методи розсіювання рентгенівських променів, вчені змогли підтвердити, що вони можуть контролювати поведінку матеріалу.

«Природа незалежних параметрів, що контролюють надпровідність, є досить захоплюючою, оскільки можна скласти повний метод контролю цього ефекту», — сказав Філіп Райан з Аргонна, співавтор статті. «Цей потенціал передбачає кілька захоплюючих ідей, включаючи здатність регулювати чутливість поля для квантових пристроїв».

Потім команда застосувала напруження до кристала з цікавими результатами. Вони виявили, що надпровідність можна або збільшити настільки, щоб подолати магнетизм навіть без переорієнтації поля, або послабити настільки, щоб магнітна переорієнтація більше не могла створювати стан нульового опору. Цей додатковий параметр дозволяє контролювати та налаштовувати чутливість матеріалу до магнетизму.

«Цей матеріал є захоплюючим, оскільки у вас є тісна конкуренція між кількома фазами, і, застосовуючи невелику напругу або магнітне поле, ви можете посилити одну фазу над іншою, щоб увімкнути та вимкнути надпровідність», — сказав Санчес. «Переважна більшість надпровідників не так легко перемикається».