Wissenschaftler entdecken bahnbrechenden Supraleiter mit Ein- und Ausschalter

Eine Gruppe von Physikern hat eine neuartige supraleitende Substanz mit außergewöhnlicher Reaktionsfähigkeit auf äußere Reize identifiziert, eine Entwicklung, die das Potenzial für erhebliche Fortschritte im energieeffizienten Rechnen und in der Quantentechnologie birgt. Dies gelang dem Team mithilfe fortschrittlicher Forschungstechniken, die einen beispiellosen Einfluss auf supraleitende Eigenschaften ermöglichten und möglicherweise groß angelegte industrielle Anwendungen veränderten.

Das Team nutzte die Advanced Photon Source, um die einzigartigen Eigenschaften dieses Materials zu bestätigen und möglicherweise den Grundstein für eine effizientere Datenverarbeitung im großen Maßstab zu legen.

Der wachsende Computerbedarf der Branche führt zu einem Anstieg der Abmessungen und des Energiebedarfs der Hardware, die zur Erfüllung dieser Anforderungen erforderlich ist. Supraleitende Substanzen könnten eine mögliche Lösung sein, um diesen Energiebedarf deutlich zu verringern. Beispielsweise könnte die Kühlung eines großen Rechenzentrums mit ständig in Betrieb befindlichen Servern auf nahezu den absoluten Nullpunkt umfangreiche Berechnungen mit unglaublicher Energieeffizienz ermöglichen.

Physiker der University of Washington und des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) haben eine Entdeckung gemacht, die diese immer effizientere Zukunft ermöglichen könnte. Sie identifizierten ein supraleitendes Material mit einer einzigartigen Empfindlichkeit gegenüber äußeren Reizen, das es ermöglicht, die supraleitenden Eigenschaften nach Belieben zu verstärken oder zu verringern. Diese Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten für energieeffiziente, schaltbare supraleitende Schaltkreise. Die Forschungsergebnisse wurden in Science Advances veröffentlicht.

Supraleitung ist ein quantenmechanischer Zustand, in dem ein elektrischer Strom ohne Widerstand durch ein Material fließen kann, was zu einer perfekten elektronischen Transporteffizienz führt. Supraleiter werden in leistungsstarken Elektromagneten für fortschrittliche Technologien wie Magnetresonanztomographie, Teilchenbeschleuniger, Fusionsreaktoren und schwebende Züge sowie im Quantencomputing eingesetzt.

In der heutigen Elektronik werden Halbleitertransistoren eingesetzt, um elektrische Ströme schnell ein- und auszuschalten und so die binären Einsen und Nullen zu bilden, die bei der Informationsverarbeitung verwendet werden. Da der Strom durch Materialien mit endlichem elektrischem Widerstand fließt, wird ein Teil der Energie als Wärme abgegeben, wodurch sich Ihr Computer mit der Zeit erwärmt. Die für die Supraleitung erforderlichen niedrigen Temperaturen, typischerweise über 200 Grad Fahrenheit unter dem Gefrierpunkt, machen diese Materialien für tragbare Geräte unbrauchbar. Sie könnten jedoch potenziell im industriellen Maßstab nützlich sein.

Unter der Leitung von Shua Sanchez von der University of Washington untersuchte die Forschungsgruppe ein ungewöhnliches supraleitendes Material mit außergewöhnlicher Abstimmbarkeit. Dieser Kristall besteht aus einer flachen Schicht ferromagnetischer Europiumatome, die zwischen supraleitenden Schichten aus Eisen-, Kobalt- und Arsenatomen eingeschlossen ist. Das Vorkommen sowohl von Ferromagnetismus als auch von Supraleitung in der Natur sei bemerkenswert ungewöhnlich, bemerkte Sanchez, da normalerweise eine Phase die andere dominiert.

„Die supraleitenden Schichten befinden sich in einer etwas unangenehmen Situation, da sie von den Magnetfeldern der umgebenden Europiumatome infiltriert werden“, erklärte Sanchez. „Dies beeinträchtigt die Supraleitung und führt zu einem endlichen elektrischen Widerstand.“

Sanchez verbrachte ein Jahr an einer der besten Röntgenlichtquellen des Landes, der Advanced Photon Source (APS), einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science in Argonne. Während seines Aufenthalts, unterstützt durch das Science Graduate Student Research Program des DOE, arbeitete Sanchez mit APS-Beamlines-Physikern zusammen, um eine umfassende Charakterisierungsplattform zu entwickeln, mit der die mikroskopischen Details komplexer Materialien untersucht werden können.

Sanchez und sein Team nutzten eine Reihe von Röntgentechniken, um festzustellen, dass die Anwendung eines Magnetfelds auf den Kristall die magnetischen Feldlinien des Europiums an den supraleitenden Schichten ausrichten kann, wodurch ihre schädlichen Auswirkungen beseitigt und ein Zustand ohne Widerstand erzeugt wird. Mithilfe elektrischer Messungen und Röntgenstreumethoden stellten die Wissenschaftler fest, dass sie das Verhalten des Materials steuern konnten.

Laut Philip Ryan von Argonne, einem Mitautor des Papiers, „ermöglicht die faszinierende Natur der unabhängigen Parameter, die die Supraleitung steuern, eine umfassende Methode zur Bewältigung dieses Effekts.“ Er fährt fort: „Dieses Potenzial legt mehrere spannende Möglichkeiten nahe, einschließlich der Fähigkeit, die Feldempfindlichkeit für Quantengeräte zu regulieren.“

Die Gruppe setzte dann verschiedene Belastungsniveaus auf den Kristall ein und entdeckte, dass die Supraleitung entweder so stark erhöht werden konnte, dass sie über den Magnetismus triumphierte, ohne dass eine Neuausrichtung des Feldes erforderlich war, oder so weit abgeschwächt werden konnte, dass die magnetische Neuausrichtung nicht mehr zu einem Nullwiderstandszustand führte . Dieser zusätzliche Parameter ermöglicht die Regulierung und Anpassung der Empfindlichkeit des Materials gegenüber Magnetismus.