近期，華盛頓大學(xué)（University of Washington）和美國(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory）的物理學(xué)家們?cè)诔瑢?dǎo)體領(lǐng)域有了最新突破，可能有助于實(shí)現(xiàn)更高效的未來(lái)。

據(jù)悉，研究人員們發(fā)現(xiàn)了一種對(duì)外界刺激具有獨(dú)特敏感性的超導(dǎo)材料，可以隨意增強(qiáng)或抑制超導(dǎo)性能。

這為節(jié)能的可切換超導(dǎo)電路提供了新的機(jī)會(huì)，最新研究結(jié)果已于近期發(fā)表在了《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。

隨著工業(yè)計(jì)算需求的增長(zhǎng)，滿足這些需求所需硬件的尺寸和能耗也隨之增長(zhǎng)。超導(dǎo)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(dǎo)是物質(zhì)的一種量子力學(xué)階段，其中電流可以以零電阻流過(guò)材料。這導(dǎo)致了完美的電子傳輸效率。超導(dǎo)體被用于最強(qiáng)大的電磁鐵中，用于先進(jìn)技術(shù)，如磁共振成像、粒子加速器、聚變反應(yīng)堆，甚至懸浮列車。超導(dǎo)體也被用于量子計(jì)算。

今天的電子產(chǎn)品使用半導(dǎo)體晶體管來(lái)快速開關(guān)電流，產(chǎn)生信息處理中使用的二進(jìn)制1和0。由于這些電流必須流過(guò)電阻有限的材料，一些能量就會(huì)以熱能的形式浪費(fèi)掉。這就是為什么你的電腦會(huì)隨著你的使用而發(fā)燙。

材料超導(dǎo)性所需的低溫，通常在冰點(diǎn)以下90攝氏度以上，使得這些材料不適用于手持設(shè)備。然而，可以想象，它們?cè)诠I(yè)級(jí)還是有用的。

于是，該團(tuán)隊(duì)研究了一種具有特殊可調(diào)性的不同尋常的超導(dǎo)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(dǎo)層之間構(gòu)成的。

根據(jù)科學(xué)家們的說(shuō)法，在自然界中發(fā)現(xiàn)鐵磁性和超導(dǎo)性同時(shí)存在是極其罕見的，因?yàn)橐粋€(gè)相通常會(huì)壓倒另一個(gè)相。

他們說(shuō)，“對(duì)于超導(dǎo)層來(lái)說(shuō)，這實(shí)際上是一個(gè)非常不舒服的情況，因?yàn)樗鼈儽恢車B原子的磁場(chǎng)刺穿。這會(huì)削弱超導(dǎo)性，導(dǎo)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(guó)領(lǐng)先的X射線光源——位于阿貢的能源部科學(xué)辦公室用戶設(shè)施先進(jìn)光子源（APS）研究了一年。

在那里，他們得到了能源部科學(xué)研究者研究計(jì)劃的支持，并開發(fā)了一個(gè)能夠探測(cè)復(fù)雜材料微觀細(xì)節(jié)的綜合表征平臺(tái)。

通過(guò)X射線技術(shù)的結(jié)合，研究人員能夠證明，在晶體上施加磁場(chǎng)可以使銪磁力線重新定向，使其與超導(dǎo)層平行。這消除了它們的拮抗作用，導(dǎo)致零阻力狀態(tài)出現(xiàn)。

利用電子測(cè)量和X射線散射技術(shù)，科學(xué)家們能夠確認(rèn)他們可以控制材料的行為。

“控制超導(dǎo)性的獨(dú)立參數(shù)的本質(zhì)是相當(dāng)迷人的，因?yàn)槿藗兛梢岳L制出控制這種效應(yīng)的完整方法，”他們說(shuō)，“這種潛力提出了幾個(gè)迷人的想法，包括為量子設(shè)備調(diào)節(jié)場(chǎng)靈敏度的能力。”

然后，研究小組對(duì)晶體施加壓力，得到了有趣的結(jié)果。他們發(fā)現(xiàn)，即使不重新調(diào)整磁場(chǎng)方向，超導(dǎo)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(chǎng)重新定向不再能產(chǎn)生零電阻狀態(tài)的程度。這一附加參數(shù)允許控制和定制材料對(duì)磁性的敏感性。

“這種材料是令人興奮的，因?yàn)槟阍诙鄠€(gè)階段之間有一個(gè)緊密的競(jìng)爭(zhēng)，通過(guò)施加一個(gè)小的應(yīng)力或磁場(chǎng)，你可以使一個(gè)階段超過(guò)另一個(gè)階段，從而打開和關(guān)閉超導(dǎo)性。絕大多數(shù)超導(dǎo)體都不那么容易切換。”他們說(shuō)。