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華盛頓大學超導材料重大突破

性能可隨意“開關” 大規模計算將更高效!
2024-01-23
來源:財聯社

近期,華盛頓大學(University of Washington)和美國能源部阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)的物理學家們在超導體領域有了最新突破,可能有助于實現更高效的未來。

據悉,研究人員們發現了一種對外界刺激具有獨特敏感性的超導材料,可以隨意增強或抑制超導性能。

這為節能的可切換超導電路提供了新的機會,最新研究結果已于近期發表在了《科學進展》雜志上。

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隨著工業計算需求的增長,滿足這些需求所需硬件的尺寸和能耗也隨之增長。超導材料是解決這一難題的潛在方案,它可以成倍地降低能耗。

超導是物質的一種量子力學階段,其中電流可以以零電阻流過材料。這導致了完美的電子傳輸效率。超導體被用于最強大的電磁鐵中,用于先進技術,如磁共振成像、粒子加速器、聚變反應堆,甚至懸浮列車。超導體也被用于量子計算。

今天的電子產品使用半導體晶體管來快速開關電流,產生信息處理中使用的二進制1和0。由于這些電流必須流過電阻有限的材料,一些能量就會以熱能的形式浪費掉。這就是為什么你的電腦會隨著你的使用而發燙。

材料超導性所需的低溫,通常在冰點以下90攝氏度以上,使得這些材料不適用于手持設備。然而,可以想象,它們在工業級還是有用的。

于是,該團隊研究了一種具有特殊可調性的不同尋常的超導材料。這種晶體是由鐵磁性的銪原子薄片夾在鐵、鈷和砷原子的超導層之間構成的。

根據科學家們的說法,在自然界中發現鐵磁性和超導性同時存在是極其罕見的,因為一個相通常會壓倒另一個相。

他們說,“對于超導層來說,這實際上是一個非常不舒服的情況,因為它們被周圍銪原子的磁場刺穿。這會削弱超導性,導致電阻有限。”

為了了解這些階段的相互作用,研究人員在美國領先的X射線光源——位于阿貢的能源部科學辦公室用戶設施先進光子源(APS)研究了一年。

在那里,他們得到了能源部科學研究者研究計劃的支持,并開發了一個能夠探測復雜材料微觀細節的綜合表征平臺。

通過X射線技術的結合,研究人員能夠證明,在晶體上施加磁場可以使銪磁力線重新定向,使其與超導層平行。這消除了它們的拮抗作用,導致零阻力狀態出現。

利用電子測量和X射線散射技術,科學家們能夠確認他們可以控制材料的行為。

“控制超導性的獨立參數的本質是相當迷人的,因為人們可以繪制出控制這種效應的完整方法,”他們說,“這種潛力提出了幾個迷人的想法,包括為量子設備調節場靈敏度的能力。”

然后,研究小組對晶體施加壓力,得到了有趣的結果。他們發現,即使不重新調整磁場方向,超導電性也能被提升到足以克服磁性的程度,或者被削弱到磁場重新定向不再能產生零電阻狀態的程度。這一附加參數允許控制和定制材料對磁性的敏感性。

“這種材料是令人興奮的,因為你在多個階段之間有一個緊密的競爭,通過施加一個小的應力或磁場,你可以使一個階段超過另一個階段,從而打開和關閉超導性。絕大多數超導體都不那么容易切換。”他們說。

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