科学家发现带有开关的突破性超导体

该材料在下一代工业电子产品的超导电路中具有潜在的应用。

研究人员使用先进光子源来验证这种材料的罕见特性，可能为更高效的大规模计算铺平道路。

随着工业计算需求的增长，满足这些需求所需的硬件的尺寸和能耗也在增长。在超导材料中可以找到解决这一困境的可能解决方案，它可以成倍地降低能耗。想象一下，将一个充满持续运行的服务器的巨型数据中心冷却到几乎绝对零度，从而以令人难以置信的能源效率实现大规模计算。

超导研究的突破

华盛顿大学和美国能源部（DOE）阿贡国家实验室的物理学家发现了一项发现，可以帮助实现这个更高效的未来。研究人员发现了一种对外界刺激特别敏感的超导材料，使超导特性能够随意增强或抑制。这为高能效的可切换超导电路提供了新的机会。该论文发表在《科学进展》上。

超导性是物质的量子力学相，其中电流可以以零电阻流过材料。这导致了完美的电子传输效率。超导体用于最强大的电磁铁，用于磁共振成像、粒子加速器、聚变反应堆，甚至悬浮列车等先进技术。超导体也可用于量子计算。

超导技术的挑战与创新

当今的电子产品使用半导体晶体管来快速打开和关闭电流，从而产生用于信息处理的二进制 1 和 0。由于这些电流必须流过电阻有限的材料，因此一些能量会以热量的形式浪费掉。这就是您的计算机会随着时间的推移而发热的原因。超导所需的低温，通常超过冰点以下 200 华氏度，使这些材料对于手持设备来说不切实际。然而，可以想象，它们在工业规模上是有用的。

由华盛顿大学的Shua Sanchez领导的研究小组研究了一种不寻常的超导材料，该材料具有出色的可调性。这种晶体由夹在铁、钴和砷原子超导层之间的铁磁铕原子的扁平片组成。根据桑切斯的说法，在自然界中同时发现铁磁性和超导性是极其罕见的，因为一个相通常会压倒另一个相。

“对于超导层来说，这实际上是一个非常不舒服的情况，因为它们被周围铕原子的磁场刺穿，”桑切斯说。“这削弱了超导性，并导致有限的电阻。

先进的研究技术和发现

为了了解这些阶段的相互作用，桑切斯在美国领先的X射线光源之一先进光子源（APS）驻扎了一年，这是美国能源部科学办公室在阿贡的用户设施。在那里，他得到了美国能源部科学研究生研究计划的支持。桑切斯与APS光束线4-ID和6-ID的物理学家合作，开发了一个全面的表征平台，能够探测复杂材料的微观细节。

通过结合X射线技术，桑切斯和他的合作者能够证明，对晶体施加磁场可以重新定向铕磁力线，使其平行于超导层。这消除了它们的拮抗作用，并导致零阻力状态的出现。利用电学测量和X射线散射技术，科学家们能够确认他们可以控制材料的行为。

“控制超导性的独立参数的性质非常令人着迷，因为人们可以绘制出控制这种效应的完整方法，”该论文的合著者、阿贡大学的菲利普·瑞安（Philip Ryan）说。“这种潜力提出了几个有趣的想法，包括调节量子器件场灵敏度的能力。

然后，该团队对晶体施加了应力，并取得了有趣的结果。他们发现，即使不重新定向磁场，超导性也可以被提升到足以克服磁性，或者减弱到足以使磁重新定向不再产生零电阻状态。这个附加参数允许控制和定制材料对磁的敏感性。

“这种材料令人兴奋，因为你在多个相之间有激烈的竞争，通过施加一个小的应力或磁场，你可以将一个相提升到另一个相上，以打开和关闭超导性，”桑切斯说。“绝大多数超导体都不是那么容易切换的。