آیا مواد ابررسانا در الکترونیک صنعتی نسل بعدی کاربردی خواهند بود؟
محققان با استفاده از قابلیت های منبع فوتون پیشرفته، ویژگی های منحصر به فرد ماده ای را کشف کرده اند که نویدبخش نسل بعدی الکترونیک صنعتی است. این پیشرفت می تواند به محاسبات در مقیاس بزرگ کارآمدتر منجر شود.
با افزایش تقاضا برای محاسبات صنعتی، سخت افزار مورد نیاز برای برآوردن این نیازها هم از نظر اندازه و هم از نظر مصرف انرژی در حال افزایش است. یک راه حل بالقوه برای این چالش در مواد ابررسانا نهفته است که قادر به کاهش قابل توجه مصرف انرژی هستند. سناریویی را تصور کنید که در آن یک مرکز داده عظیم که سرورهای دائماً عملیاتی را در خود جای داده است، تقریباً تا صفر مطلق خنک شود. این می تواند محاسبات در مقیاس بزرگ را با بهره وری انرژی قابل توجه امکان پذیر کند.
چه پیشرفت های عمده ای در تحقیقات ابررسانایی به دست آمده است؟
دانشمندان دانشگاه واشنگتن به پیشرفتی دست یافته اند که می تواند به آینده ای کارآمدتر کمک کند. آنها یک ماده ابررسانا با حساسیت منحصر به فرد به محرک های خارجی را شناسایی کرده اند که امکان افزایش یا سرکوب خواص ابررسانا را در صورت نیاز فراهم می کند. این کشف فرصت هایی را برای مدارهای ابررسانای سوئیچ پذیر با انرژی کارآمد باز می کند. این یافته ها در Science Advances منتشر شده است.
ابررسانایی یک حالت مکانیکی کوانتومی است که در آن یک جریان الکتریکی می‌تواند از ماده‌ای بدون مقاومت عبور کند و در نتیجه بازده حمل و نقل الکترونیکی کاملی داشته باشد. ابررساناها در فناوری های پیشرفته مانند تصویربرداری تشدید مغناطیسی، شتاب دهنده های ذرات، راکتورهای همجوشی و حتی قطارهای معلق بسیار مهم هستند. آنها همچنین در محاسبات کوانتومی نقش دارند.
چه چالش ها و نوآوری هایی در فن آوری های ابررسانا وجود دارد؟
در الکترونیک فعلی، ترانزیستورهای نیمه رسانا برای روشن و خاموش کردن سریع جریان های الکتریکی استفاده می شوند و جریان های باینری و صفرهای مورد استفاده در پردازش اطلاعات را ایجاد می کنند. با این حال، مقاومت الکتریکی محدود این مواد منجر به هدر رفتن انرژی به عنوان گرما می شود و باعث گرم شدن دستگاه هایی مانند رایانه می شود. دماهای پایین مورد نیاز برای ابررسانایی این مواد را برای دستگاه های دستی غیرعملی می کند، اما می توانند در مقیاس صنعتی ارزشمند باشند.
تیم تحقیقاتی، یک ماده فوق‌رسانا استثنایی را با قابلیت تنظیم قابل توجه مورد مطالعه قرار دادند. این کریستال از ورقه های مسطح اتم های فرومغناطیسی یوروپیوم تشکیل شده است که بین لایه های ابررسانای اتم های آهن، کبالت و آرسنیک قرار گرفته اند. وجود همزمان فرومغناطیس و ابررسانایی در طبیعت بسیار نادر است و این ماده را منحصر به فرد می کند.
تحقیقات در زمینه ابررسانا چه نتایجی داشته اند؟
این تیم یک سال را در منبع فوتون پیشرفته (APS)، یکی از منابع نور پرتو ایکس پیشرو در آرگون گذراندند تا تعامل بین فازها را درک کنند. آنها یک پلت فرم جامع را با استفاده از تکنیک های مختلف اشعه ایکس برای بررسی جزئیات میکروسکوپی مواد پیچیده ایجاد کردند.
از طریق آزمایش‌ها و اندازه‌گیری‌ها، آنها کشف کردند که اعمال میدان مغناطیسی روی کریستال می‌تواند خطوط میدان مغناطیسی یوروپیوم را تغییر جهت دهد و آنها را موازی با لایه‌های ابررسانا قرار دهد. این کار اثرات متضاد را از بین می برد و منجر به حالت مقاومت صفر می شود. محققان می توانند رفتار مواد را از طریق اندازه گیری های الکتریکی و تکنیک های پراکندگی اشعه ایکس کنترل کنند.
آرگون بر پتانسیل شگفت انگیز کنترل مستقل پارامترها برای ابررسانایی تاکید کرد که امکان تنظیم حساسیت میدان در دستگاه های کوانتومی را فراهم می کند.
در آزمایش‌های بیشتر، تیم بر کریستال تنش‌هایی اعمال کرد و نشان داد که ابررسانایی می‌تواند تقویت یا تضعیف شود و پارامتر دیگری برای سفارشی‌سازی حساسیت ماده به مغناطیس ارائه شود. در مقایسه با اکثر ابررساناها امکان کنترل آسان بر ابررسانایی را فراهم می کند.
کدام مواد می توانند ابررسانا شوند؟
بیست و هفت عنصر شیمیایی، همه فلزات، می توانند در ساختارهای کریستالی معمولی خود در دماهای پایین و فشار کم (اتمسفر) به ابررسانا تبدیل شوند. اینها شامل فلزات شناخته شده مانند آلومینیوم، قلع، سرب و جیوه و همچنین فلزات کمتر رایج مانند رنیم، لانتانیم و پروتاکتینیم می شود.
ابررسانا چیست؟
ابررساناها موادی هستند که اجازه می دهند جریان الکتریکی بدون هیچ مقاومتی جریان یابد. نمونه‌هایی از ابررساناها عبارتند از آلومینیوم، نیوبیم، دی‌بورید منیزیم، کپرات‌ها مانند اکسید مس ایتریم باریم و پنکتیدهای آهن.
منابع
