Ein Team von Physikern hat eine neue Art von supraleitendem Material entdeckt, das als Reaktion auf äußere Reize auf einzigartige Weise abstimmbar ist und die Entwicklung energieeffizienter Computer- und Quantentechnologien vorantreiben könnte. Dieser Durchbruch, der durch fortschrittliche Forschungstechnologie erreicht wurde, ermöglicht eine beispiellose Kontrolle der supraleitenden Eigenschaften und hat das Potenzial, großtechnische industrielle Anwendungen zu revolutionieren. Das Material soll in supraleitenden Schaltkreisen für die Industrieelektronik der nächsten Generation eingesetzt werden.
Mit dem wachsenden Bedarf an industrieller Datenverarbeitung steigen auch die Größe und der Stromverbrauch der Hardware, die zur Erfüllung dieser Anforderungen erforderlich ist. Eine mögliche Lösung für dieses Problem sind supraleitende Materialien, die den Energieverbrauch exponentiell senken können. Stellen Sie sich vor, Sie kühlen ein riesiges Rechenzentrum mit ständig laufenden Servern auf nahezu den absoluten Nullpunkt ab, um groß angelegte Datenverarbeitung mit erstaunlicher Energieeffizienz zu ermöglichen.
Durchbruch in der Supraleitungsforschung
Physiker der University of Washington und des Argonne National Laboratory des DOE haben eine Entdeckung gemacht, die dazu beitragen könnte, diese effizientere Zukunft zu verwirklichen. Forscher haben ein supraleitendes Material entdeckt, das besonders empfindlich auf äußere Reize reagiert und seine supraleitenden Eigenschaften nach Belieben verstärken oder unterdrücken kann. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für energieeffiziente schaltbare supraleitende Schaltkreise. Das Papier wurde in Science Advances veröffentlicht.
Supraleitung ist eine quantenmechanische Phase der Materie, in der elektrischer Strom ohne Widerstand durch ein Material fließen kann. Dies führt zu einer perfekten Elektronenübertragungseffizienz. Supraleiter werden in den leistungsstärksten Elektromagneten in fortschrittlichen Technologien wie Magnetresonanztomographie, Teilchenbeschleunigern, Kernfusionsreaktoren und sogar schwebenden Zügen eingesetzt. Supraleiter können auch im Quantencomputing eingesetzt werden.
Herausforderungen und Innovationen
Die heutige Elektronik verwendet Halbleitertransistoren, um Strom schnell ein- und auszuschalten und so die binären Einsen und Nullen zu erzeugen, die bei der Informationsverarbeitung verwendet werden. Da diese Ströme durch Materialien mit endlichem Widerstand fließen müssen, wird ein Teil der Energie in Form von Wärme verschwendet. Aus diesem Grund erwärmen sich Computer mit der Zeit. Die für die Supraleitung erforderlichen Temperaturen sind sehr niedrig, oft mehr als 200 Grad Fahrenheit unter dem Gefrierpunkt, sodass diese Materialien nicht für den Einsatz in Handgeräten geeignet sind. Man kann sich jedoch einen Einsatz im industriellen Maßstab vorstellen.
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Shua Sanchez von der University of Washington untersuchte ein ungewöhnliches supraleitendes Material mit außergewöhnlicher Abstimmbarkeit. Der Kristall besteht aus flachen Platten aus ferromagnetischen Europiumatomen, die zwischen supraleitenden Schichten aus Eisen-, Kobalt- und Arsenatomen eingebettet sind. Sanchez sagte, es sei äußerst selten, in der Natur sowohl Ferromagnetismus als auch Supraleitung zu finden, da normalerweise eine Phase die andere überwiege.
„Das ist eigentlich eine sehr unangenehme Situation für die supraleitenden Schichten, weil sie vom Magnetfeld der umgebenden Europiumatome durchdrungen werden, was die Supraleitung schwächt und zu einem endlichen Widerstand führt“, sagte Sanchez.
Fortschrittliche Forschungstechnologien und -ergebnisse
Um die Wechselwirkungen zwischen diesen Phasen zu verstehen, absolvierte Sanchez ein einjähriges Praktikum an der führenden Röntgenlichtquelle des Landes, der Advanced Photon Source (APS), einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science in Argonne. Dort wurde er vom Science Graduate Research Program des Energieministeriums unterstützt. Sanchez arbeitete mit Physikern an den Strahllinien APS4-ID und 6-ID zusammen, um eine umfassende Charakterisierungsplattform zu entwickeln, mit der mikroskopische Details in komplexen Materialien untersucht werden können.
Mithilfe einer Kombination von Röntgentechniken zeigten Sanchez und seine Mitarbeiter, dass das Anlegen eines Magnetfelds an den Kristall die Richtung der Europium-Magnetfeldlinien so anpassen kann, dass sie parallel zur supraleitenden Schicht verlaufen. Dies beseitigt den Antagonismus zwischen ihnen und führt zu einem Zustand ohne Widerstand. Mithilfe elektrischer Messungen und Röntgenstreutechniken konnten die Wissenschaftler zeigen, dass sie das Verhalten des Materials steuern können.
„Die Natur der unabhängigen Parameter, die die Supraleitung steuern, ist ziemlich faszinierend, weil man die vollständigen Mittel darstellen kann, mit denen dieser Effekt gesteuert wird“, sagte Philip Ryan, Co-Autor der Studie von der Argonne University. „Dieses Potenzial wirft mehrere faszinierende Ideen auf, darunter die Möglichkeit, die Feldempfindlichkeit für Quantengeräte abzustimmen.“
Anschließend belastete das Team den Kristall und die Ergebnisse waren sehr interessant. Sie fanden heraus, dass die Supraleitung ohne Neuausrichtung des Magnetfelds ausreichend verstärkt werden kann, um den Magnetismus zu überwinden, oder bis zu dem Punkt abgeschwächt werden kann, bei dem eine Neuausrichtung des Magnetfelds keinen Nullwiderstandszustand mehr erzeugen kann. Dieser zusätzliche Parameter ermöglicht die Steuerung und Anpassung der Anfälligkeit des Materials gegenüber Magnetismus.
„Dieses Material ist spannend, weil es mehrere Phasen in enger Konkurrenz geben kann und durch Anlegen einer kleinen Spannung oder eines Magnetfelds eine Phase stärker als eine andere machen und so die Supraleitung ein- oder ausschalten kann“, sagte Sanchez. „Die meisten Supraleiter lassen sich nicht so einfach schalten.“
Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily