科学者はオンオフスイッチを備えた先駆的な超電導体を発見した

この材料は、次世代産業用エレクトロニクスの超電導回路に応用できる可能性があります。

研究者は高度な光子源を使用してこの材料の希少な特性を調査し、大規模でより効率的なコンピューティングへの道を切り開きました。

産業用コンピューティングのニーズが高まるにつれ、そのニーズに応えるために必要なハードウェアのサイズと消費電力も増加します。 このジレンマに対する潜在的な解決策は、エネルギー消費を大幅に削減できる超電導材料にあります。 ほぼ常時稼働しているサーバーでいっぱいの巨大なデータセンターを冷却することを想像してみてください。 絶対零度、大規模な計算を驚くべきエネルギー効率で実行できるようになります。

超電導研究の画期的な進歩

ワシントン大学と米国エネルギー省のアルゴンヌ国立研究所の物理学者は、このより効率的な未来の実現に役立つ可能性のある発見を行いました。 研究者らは、外部刺激に対して独特の感度を持ち、超伝導特性を自在に強化したり抑制したりできる超伝導材料を発見した。 これにより、切り替え可能なエネルギー効率の高い超電導回路の新たな可能性が開かれます。 論文は、 科学の進歩。

超伝導は物質の量子力学的な相であり、電流が抵抗ゼロで物質を流れることができます。 これにより、最適な電子伝達効率が得られます。 超電導体は、磁気共鳴画像法、粒子加速器、核融合炉、さらにはスカイトレインなどの先進技術用の最も強力な電磁石に使用されています。 超伝導体の使用は次の分野でも発見されています。 定量的統計。

超電導技術の挑戦と革新

今日のエレクトロニクスは、半導体トランジスタを使用して電流を素早くオン/オフし、情報処理に使用されるダイオードと暗号を作成します。 これらの電流は電気抵抗が限られた材料を通って流れる必要があるため、エネルギーの一部が熱として無駄になります。 これが、時間の経過とともにコンピューターが熱くなる理由です。 超伝導に必要な低温は通常 200 度以上です F 氷点下では、この材料は携帯用デバイスには実用的ではありません。 ただし、産業レベルでは役立つ場合があります。

チュア・サンチェス率いる研究チームは、 ワシントン大学、並外れた調整能力を持つ珍しい超伝導材料を研究しています。 この結晶は、鉄、コバルト、ヒ素原子の超伝導層の間に挟まれた磁性ユーロピウム原子の平らなシートで構成されています。 サンチェス氏によると、自然界で強磁性と超伝導が同時に見つかることは非常にまれで、通常は一方の相が他方の相を圧倒するという。

「超伝導層は周囲のユーロピウム原子からの磁場に貫かれているため、実際には非常に不快な状況だ」とサンチェス氏は語った。 「これにより超電導性が弱まり、電気抵抗が制限されます。」

先進的な研究技術と成果

これらの段階間の相互作用を理解するために、サンチェス氏は国内有数の X 線光源の 1 つである、アルゴンヌにある DOE 科学局のユーザー施設である高度光子源 (APS) に研修医として 1 年間滞在しました。 滞在中、彼はエネルギー省の大学院生研究プログラムから支援を受けました。 Sanchez 氏は、APS 4-ID および 6-ID ビームラインの物理学者と協力して、複雑な材料の微細な詳細を検査できる包括的な特性評価プラットフォームを開発しました。

サンチェス氏と彼の共同研究者らは、X線技術を組み合わせて、結晶に磁場を加えるとユーロピウムの磁力線の方向を変えて超伝導層と平行に走ることができることを示すことができた。 これにより、それらの拮抗作用が排除され、抵抗がゼロの状態になります。 科学者たちは、電気測定と X 線散乱技術を使用して、物質の挙動を制御する能力を確認することができました。

「超伝導を制御する独立した要因の性質は非常に興味深いので、この効果を制御する完全な方法を計画することができます」と論文の共著者であるアルゴンヌのフィリップ・ライアンは述べた。 「この可能性は、量子デバイスの場の感度を調整する能力など、多くの興味深いアイデアを生み出します。」

次にチームは結晶に圧力を加えて興味深い結果を得ました。 彼らは、磁場の向きを変えなくても超伝導が磁性を克服できるほど強化できること、あるいは磁場の向きを変えても抵抗ゼロ状態を生み出せないほど弱めることができることを発見した。 この追加パラメータにより、材料の磁気に対する感度を制御およびカスタマイズできます。

「この材料は、複数の相間で激しい競争があり、小さな圧力または磁場を加えることで、一方の相を他方の相よりも促進して、超電導をオンまたはオフにすることができるため、刺激的です」とサンチェス氏は語った。 「大多数の超電導体は、それほど簡単に変換可能ではありません。」

参考文献: Joshua J. 著「Switchable Field-Induced Superconductivity」 サンチェス、ジルベルト・ファーブレス、チェ・ヨンソン、ジョナサン・M・デステファノ、エリオット・ローゼンバーグ、ユエ・シー、ポール・マリノフスキー、イナ・ファン、イゴール・マジン、キム・ジョンウ、チョ・ジョンハオ、フィリップ・J. ライアン、2023 年 11 月 24 日、 科学の進歩。
土井: 10.1126/sciadv.adj5200