Gli scienziati scoprono un innovativo superconduttore con interruttori on-off.

Un gruppo di fisici ha identificato una nuova sostanza superconduttrice con un’eccezionale reattività agli stimoli esterni, uno sviluppo che ha il potenziale per progressi significativi nell’informatica ad alta efficienza energetica e nella tecnologia quantistica. Il team ha raggiunto questo obiettivo utilizzando tecniche di ricerca avanzate, consentendo un'influenza senza pari sugli attributi dei superconduttori, trasformando possibilmente applicazioni industriali su larga scala.

Il team ha sfruttato l’Advanced Photon Source per confermare le caratteristiche uniche di questo materiale, gettando potenzialmente le basi per un calcolo su larga scala più efficiente.

Le crescenti esigenze informatiche del settore determinano un aumento delle dimensioni e dei requisiti energetici dell'hardware necessario per soddisfare queste esigenze. Le sostanze superconduttrici potrebbero rappresentare una potenziale soluzione per alleviare significativamente questi fabbisogni energetici. Ad esempio, raffreddare quasi allo zero assoluto un grande data center pieno di server costantemente operativi potrebbe consentire calcoli su larga scala con un’incredibile efficienza energetica.

I fisici dell’Università di Washington e dell’Argonne National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno fatto una scoperta che potrebbe facilitare questo futuro sempre più efficiente. Hanno identificato un materiale superconduttore con una sensibilità unica agli stimoli esterni che consente di aumentare o ostacolare le proprietà superconduttrici a piacimento. Questa scoperta apre nuove possibilità per circuiti superconduttori commutabili ed efficienti dal punto di vista energetico. I risultati della ricerca sono stati pubblicati su Science Advances.

La superconduttività è uno stato quantomeccanico in cui una corrente elettrica può passare attraverso un materiale con resistenza pari a zero, ottenendo una perfetta efficienza di trasporto elettronico. I superconduttori sono utilizzati in potenti elettromagneti per tecnologie avanzate come la risonanza magnetica, gli acceleratori di particelle, i reattori a fusione e i treni levitanti, nonché nell'informatica quantistica.

L'elettronica attuale impiega transistor semiconduttori per accendere e spegnere rapidamente le correnti elettriche, formando gli uno e gli zeri binari utilizzati nell'elaborazione delle informazioni. A causa della corrente che scorre attraverso materiali con resistenza elettrica finita, parte dell'energia si dissipa sotto forma di calore, causando il surriscaldamento del computer nel tempo. Le basse temperature richieste per la superconduttività, tipicamente oltre 200 gradi Fahrenheit sotto lo zero, rendono questi materiali impraticabili per i dispositivi portatili. Tuttavia, potrebbero potenzialmente essere utili su scala industriale.

Sotto la guida di Shua Sanchez dell'Università di Washington, il gruppo di ricerca ha studiato un insolito materiale superconduttore dotato di straordinaria accordabilità. Questo cristallo è composto da un foglio piatto di atomi ferromagnetici di europio racchiusi tra strati superconduttori di atomi di ferro, cobalto e arsenico. La presenza sia del ferromagnetismo che della superconduttività in natura è straordinariamente rara, ha osservato Sanchez, a causa del fatto che una fase solitamente domina l’altra.

"Gli strati superconduttori si trovano in una situazione alquanto scomoda, infiltrati dai campi magnetici degli atomi di europio circostanti", ha affermato Sanchez, "Ciò compromette la superconduttività, portando a una resistenza elettrica finita".

Sanchez ha trascorso un anno presso una delle principali fonti di luce a raggi X del paese, l'Advanced Photon Source (APS), una struttura per utenti del DOE Office of Science ad Argonne. Durante la sua residenza, supportata dal programma di ricerca per studenti laureati in scienze del DOE, Sanchez ha collaborato con i fisici delle linee di luce APS per sviluppare una piattaforma di caratterizzazione approfondita in grado di sondare i dettagli microscopici di materiali complessi.

Sanchez e il suo team hanno utilizzato una serie di tecniche a raggi X per stabilire che esercitando un campo magnetico sul cristallo è possibile allineare le linee del campo magnetico dell’europio con gli strati superconduttori, rimuovendo i loro effetti dannosi e creando uno stato di resistenza zero. Utilizzando misurazioni elettriche e metodi di diffusione dei raggi X, gli scienziati hanno accertato di poter controllare il comportamento del materiale.

Secondo Philip Ryan di Argonne, coautore dell'articolo, "La natura affascinante dei parametri indipendenti che controllano la superconduttività consente un metodo completo per gestire questo effetto". E continua: "Questo potenziale suggerisce diverse possibilità interessanti, inclusa la capacità di regolare la sensibilità del campo per i dispositivi quantistici".

Il gruppo ha proceduto ad applicare diversi livelli di stress al cristallo, scoprendo che la superconduttività poteva essere sufficientemente potenziata da trionfare sul magnetismo senza la necessità di riorientamento del campo o indebolita sufficientemente da far sì che il riorientamento magnetico non portasse più allo stato di resistenza zero. . Questo parametro aggiuntivo consente la regolazione e la personalizzazione della sensibilità del materiale al magnetismo.