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超导材料重大突破:性能可随意“开关” 大规模计算将更高效!

超导材料重大突破:性能可随意“开关” 大规模计算将更高效!

财联社1月22日讯(编辑 黄君芝)近期,华盛顿大学(University of Washington)和美国能源部阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的物理学家们在超导体领域有了最新突破,可能有助于实现更高效的未来。

据悉,研究人员们发现了一种对外界刺激具有独特敏感性的超导材料,可以随意增强或抑制超导性能。

这为节能的可切换超导电路提供了新的机会,最新研究结果已于近期发表在了《科学进展》杂志上。

超导材料重大突破:性能可随意“开关” 大规模计算将更高效!

随着工业计算需求的增长,满足这些需求所需硬件的尺寸和能耗也随之增长。超导材料是解决这一难题的潜在方案,它可以成倍地降低能耗。

超导是物质的一种量子力学阶段,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。超导体被用于最强大的电磁铁中,用于先进技术,如磁共振成像、粒子加速器、聚变反应堆,甚至悬浮列车。超导体也被用于量子计算。

今天的电子产品使用半导体晶体管来快速开关电流,产生信息处理中使用的二进制1和0。由于这些电流必须流过电阻有限的材料,一些能量就会以热能的形式浪费掉。这就是为什么你的电脑会随着你的使用而发烫。

材料超导性所需的低温,通常在冰点以下90摄氏度以上,使得这些材料不适用于手持设备。然而,可以想象,它们在工业级还是有用的。

于是,该团队研究了一种具有特殊可调性的不同寻常的超导材料。这种晶体是由铁磁性的铕原子薄片夹在铁、钴和砷原子的超导层之间构成的。

根据科学家们的说法,在自然界中发现铁磁性和超导性同时存在是极其罕见的,因为一个相通常会压倒另一个相。

他们说,“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。这会削弱超导性,导致电阻有限。”

为了了解这些阶段的相互作用,研究人员在美国领先的X射线光源——位于阿贡的能源部科学办公室用户设施先进光子源(APS)研究了一年。

在那里,他们得到了能源部科学研究者研究计划的支持,并开发了一个能够探测复杂材料微观细节的综合表征平台。

通过X射线技术的结合,研究人员能够证明,在晶体上施加磁场可以使铕磁力线重新定向,使其与超导层平行。这消除了它们的拮抗作用,导致零阻力状态出现。

利用电子测量和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本质是相当迷人的,因为人们可以绘制出控制这种效应的完整方法,”他们说,“这种潜力提出了几个迷人的想法,包括为量子设备调节场灵敏度的能力。”

然后,研究小组对晶体施加压力,得到了有趣的结果。他们发现,即使不重新调整磁场方向,超导电性也能被提升到足以克服磁性的程度,或者被削弱到磁场重新定向不再能产生零电阻状态的程度。这一附加参数允许控制和定制材料对磁性的敏感性。

“这种材料是令人兴奋的,因为你在多个阶段之间有一个紧密的竞争,通过施加一个小的应力或磁场,你可以使一个阶段超过另一个阶段,从而打开和关闭超导性。绝大多数超导体都不那么容易切换。”他们说。

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