Ученые обнаружили новаторский сверхпроводник с двухпозиционными переключателями

Эти материалы имеют потенциальное применение в сверхпроводящих схемах промышленной электроники нового поколения.

Исследователи использовали усовершенствованный источник фотонов для изучения редких свойств этого материала, открыв путь к более эффективным вычислениям в больших масштабах.

По мере роста потребностей в промышленных вычислениях растут размеры и энергопотребление оборудования, необходимого для удовлетворения этих потребностей. Потенциальное решение этой дилеммы можно найти в сверхпроводящих материалах, которые могут значительно снизить потребление энергии. Представьте себе охлаждение гигантского центра обработки данных, полного почти постоянно работающих серверов. Абсолютный нольчто позволяет выполнять крупномасштабные вычисления с потрясающей энергоэффективностью.

Прорыв в исследованиях сверхпроводимости

Физики из Вашингтонского университета и Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США сделали открытие, которое может помочь обеспечить более эффективное будущее. Исследователи обнаружили сверхпроводящий материал, который уникально чувствителен к внешним воздействиям, что позволяет по желанию усиливать или подавлять сверхпроводящие свойства. Это открывает новые возможности для переключаемых, энергоэффективных сверхпроводниковых цепей. Статья была опубликована в Развитие науки.

Сверхпроводимость — это квантовомеханическая фаза материи, при которой электрический ток может течь через материал с нулевым сопротивлением. Это приводит к оптимальной эффективности электронного перевода. Сверхпроводники используются в самых мощных электромагнитах для передовых технологий, таких как магнитно-резонансная томография, ускорители частиц, термоядерные реакторы и даже небесные поезда. Применение сверхпроводников также было обнаружено в… Количественная статистика.

Проблемы и инновации в технологиях сверхпроводимости

Современная электроника использует полупроводниковые транзисторы для быстрого включения и выключения электрического тока, создавая диоды и нули, используемые при обработке информации. Поскольку эти токи должны течь через материалы с ограниченным электрическим сопротивлением, часть энергии тратится в виде тепла. Вот почему ваш компьютер со временем нагревается. Низкие температуры, необходимые для сверхпроводимости, обычно превышают 200 градусов. Ф При температуре ниже точки замерзания этот материал непрактичен для портативных устройств. Однако это может быть полезно на промышленном уровне.

Исследовательская группа под руководством Чуа Санчеса из Вашингтонский университет, исследующий необычный сверхпроводящий материал с исключительной возможностью настройки. Этот кристалл состоит из плоских листов магнитных атомов европия, зажатых между сверхпроводящими слоями атомов железа, кобальта и мышьяка. По словам Санчеса, сочетание ферромагнетизма и сверхпроводимости в природе встречается крайне редко, причем одна фаза обычно подавляет другую.

«На самом деле это очень неприятная ситуация для сверхпроводящих слоев, поскольку они пронизаны магнитными полями окружающих атомов европия», — сказал Санчес. «Это ослабляет сверхпроводимость и приводит к ограничению электрического сопротивления».

Передовые методы исследования и результаты

Чтобы понять взаимосвязь между этими фазами, Санчес провел год в качестве резидента одного из ведущих источников рентгеновского света в стране, Advanced Photon Source (APS), пользовательского центра Министерства энергетики США в Аргонне. Там он получил поддержку со стороны научно-исследовательской программы аспирантов Министерства энергетики. Работая с физиками на каналах APS 4-ID и 6-ID, Санчес разработал комплексную платформу для определения характеристик, способную исследовать микроскопические детали сложных материалов.

Используя комбинацию рентгеновских методов, Санчес и его коллеги смогли показать, что приложение магнитного поля к кристаллу может перенаправить линии магнитного поля европия так, чтобы они шли параллельно сверхпроводящим слоям. Это устраняет их антагонистические эффекты и приводит к состоянию нулевого сопротивления. Используя электрические измерения и методы рассеяния рентгеновских лучей, ученые смогли подтвердить свою способность контролировать поведение материи.

«Природа независимых факторов, контролирующих сверхпроводимость, настолько увлекательна, что можно наметить полный способ контролировать этот эффект», — сказал Филип Райан из Аргонны, соавтор статьи. «Эта возможность порождает множество интересных идей, включая возможность регулирования полевой чувствительности квантовых устройств».

Затем команда применила давление к кристаллу, чтобы получить интересные результаты. Они обнаружили, что сверхпроводимость можно усилить настолько, чтобы преодолеть магнетизм даже без перенаправления поля, или ослабить настолько, чтобы магнитная переориентация не могла привести к состоянию нулевого сопротивления. Этот дополнительный параметр позволяет контролировать и настраивать чувствительность материала к магнетизму.

«Этот материал интересен, потому что существует острая конкуренция между несколькими фазами, и, применяя небольшое давление или магнитное поле, вы можете продвигать одну фазу над другой, включая и выключая сверхпроводимость», — сказал Санчес. «Подавляющее большинство сверхпроводников не так легко конвертировать».

Ссылка: «Переключаемая сверхпроводимость, индуцированная полем», Джошуа Дж. Санчес, Хильберто Фабрес, Чхве Ёнсон, Джонатан М. ДеСтефано, Эллиот Розенберг, Юэ Ши, Пол Малиновски, Ина Хуанг, Игорь Мазин, Ким Юнг-Ву, Чо Чон-Хао и Филип Дж. Райан, 24 ноября 2023 г., Развитие науки.
doi: 10.1126/sciadv.adj5200