Los científicos han descubierto un superconductor pionero con interruptores de encendido y apagado

Los materiales tienen aplicaciones potenciales en circuitos superconductores para la electrónica industrial de próxima generación.

Los investigadores utilizaron una fuente de fotones avanzada para investigar las raras propiedades de este material, allanando el camino para una computación más eficiente a escala.

A medida que crecen las necesidades de informática industrial, también aumentan el tamaño y el consumo de energía del hardware necesario para satisfacer esas necesidades. Una posible solución a este dilema puede encontrarse en los materiales superconductores, que pueden reducir significativamente el consumo de energía. Imagine enfriar un centro de datos gigante lleno de servidores que funcionan casi constantemente Cero absolutopermitiendo realizar cálculos a gran escala con una eficiencia energética sorprendente.

Avance en la investigación de la superconductividad

Físicos de la Universidad de Washington y del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. han hecho un descubrimiento que podría ayudar a hacer posible este futuro más eficiente. Los investigadores han descubierto un material superconductor que es excepcionalmente sensible a los estímulos externos, lo que permite mejorar o suprimir las propiedades superconductoras a voluntad. Esto abre nuevas oportunidades para circuitos superconductores conmutables y energéticamente eficientes. El artículo fue publicado en Avance de la ciencia.

La superconductividad es una fase de la mecánica cuántica de la materia donde una corriente eléctrica puede fluir a través de un material con resistencia cero. Esto da como resultado una eficiencia de transferencia electrónica óptima. Los superconductores se utilizan en los electroimanes más potentes para tecnologías avanzadas como imágenes por resonancia magnética, aceleradores de partículas, reactores de fusión e incluso trenes aéreos. También se han encontrado usos de superconductores en… Estadísticas cuantitativas.

Retos e innovaciones en tecnologías de superconductividad

La electrónica actual utiliza transistores semiconductores para activar y desactivar rápidamente las corrientes eléctricas, creando los diodos y cifrados utilizados en el procesamiento de información. Dado que estas corrientes deben fluir a través de materiales con resistencia eléctrica limitada, parte de la energía se desperdicia en forma de calor. Esta es la razón por la que su computadora se calienta con el tiempo. Las bajas temperaturas necesarias para la superconductividad suelen ser más de 200 grados. F Por debajo del punto de congelación, este material no es práctico para dispositivos portátiles. Sin embargo, puede resultar útil a nivel industrial.

El equipo de investigación dirigido por Chua Sánchez de Universidad de Washington, investigando un material superconductor inusual con una capacidad de sintonización excepcional. Este cristal consta de láminas planas de átomos magnéticos de europio intercalados entre capas superconductoras de átomos de hierro, cobalto y arsénico. Según Sánchez, encontrar ferromagnetismo y superconductividad juntos en la naturaleza es extremadamente raro, ya que una fase suele dominar a la otra.

“En realidad, es una situación muy incómoda para las capas superconductoras, ya que son atravesadas por campos magnéticos de los átomos de europio circundantes”, afirmó Sánchez. “Esto debilita la superconductividad y da como resultado una resistencia eléctrica limitada”.

Técnicas avanzadas de investigación y resultados.

Para comprender la interacción entre estas fases, Sánchez pasó un año como residente en una de las principales fuentes de luz de rayos X del país, Advanced Photon Source (APS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Argonne. Mientras estuvo allí, recibió apoyo del Programa de Investigación para Estudiantes Graduados en Ciencias del Departamento de Energía. Trabajando con físicos de las líneas de luz APS 4-ID y 6-ID, Sánchez ha desarrollado una plataforma de caracterización integral capaz de examinar los detalles microscópicos de materiales complejos.

Utilizando una combinación de técnicas de rayos X, Sánchez y sus colaboradores pudieron demostrar que la aplicación de un campo magnético al cristal podría redirigir las líneas del campo magnético del europio para que corran paralelas a las capas superconductoras. Esto elimina sus efectos antagónicos y da como resultado un estado de resistencia cero. Utilizando mediciones eléctricas y técnicas de dispersión de rayos X, los científicos pudieron confirmar su capacidad para controlar el comportamiento de la materia.

“La naturaleza de los factores independientes que controlan la superconductividad es tan fascinante que se puede trazar una forma completa de controlar este efecto”, dijo Philip Ryan de Argonne, coautor del artículo. “Esta posibilidad plantea muchas ideas fascinantes, incluida la capacidad de regular la sensibilidad de campo de los dispositivos cuánticos”.

Luego, el equipo aplicó presiones al cristal para obtener resultados interesantes. Descubrieron que la superconductividad podía fortalecerse lo suficiente como para superar el magnetismo incluso sin redirección del campo o debilitarse lo suficiente como para que la reorientación magnética no pudiera producir un estado de resistencia cero. Este parámetro adicional permite controlar y personalizar la sensibilidad del material al magnetismo.

“Este material es interesante porque existe una intensa competencia entre múltiples fases y, al aplicar una pequeña presión o campo magnético, se puede promover una fase sobre la otra para activar y desactivar la superconductividad”, dijo Sánchez. “La gran mayoría de los superconductores no son tan fácilmente convertibles”.

Referencia: “Superconductividad inducida por campo conmutable” por Joshua J. Sánchez, Gilberto Fabres, Youngseong Choi, Jonathan M. DeStefano, Elliott Rosenberg, Yue Shi, Paul Malinowski, Yina Huang, Igor Mazin, Jung-Woo Kim, Jeon-Hao Cho y Philip J. Ryan, 24 de noviembre de 2023, Avance de la ciencia.
doi: 10.1126/sciadv.adj5200