اكتشف فريق من الفيزيائيين مادة جديدة فائقة التوصيل ذات قابلية فريدة للضبط على المحفزات الخارجية، مما يعد بإحراز تقدم في الحوسبة الموفرة للطاقة وتكنولوجيا الكم. يتيح هذا الإنجاز، الذي تم تحقيقه من خلال تقنيات البحث المتقدمة، تحكمًا غير مسبوق في خصائص الموصلية الفائقة، مما يحدث ثورة في التطبيقات الصناعية واسعة النطاق.
ولهذه المادة تطبيقات محتملة في الدوائر فائقة التوصيل للجيل القادم من الإلكترونيات الصناعية.
واستخدم الباحثون مصدرًا فوتونيًا متقدمًا للتحقق من الخصائص النادرة لهذه المادة، مما مهد الطريق لحوسبة أكثر كفاءة على نطاق واسع.
مع نمو احتياجات الحوسبة الصناعية، تزداد أيضًا كمية الأجهزة واستهلاك الطاقة اللازمة لتلبية تلك الاحتياجات. يمكن العثور على حل محتمل لهذه المعضلة في المواد فائقة التوصيل، والتي يمكن أن تقلل من استهلاك الطاقة بشكل كبير. تخيل تبريد مركز بيانات عملاق مليئًا بالخوادم التي تعمل باستمرار الصفر المطلقتمكن من إجراء عمليات حسابية واسعة النطاق مع كفاءة مذهلة في استخدام الطاقة.
اختراق في أبحاث الموصلية الفائقة
توصل علماء الفيزياء في جامعة واشنطن ومختبر أرجون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية إلى اكتشاف يمكن أن يساعد في جعل هذا المستقبل المثالي ممكنًا. اكتشف الباحثون مادة فائقة التوصيل حساسة بشكل فريد للمؤثرات الخارجية ويمكنها تعزيز أو قمع خصائص التوصيل الفائق بشكل انتقائي. يتيح ذلك فرصًا جديدة لدوائر فائقة التوصيل قابلة للتحويل وموفرة للطاقة. نشرت المجلة التقدم العلمي.
الموصلية الفائقة هي مرحلة ميكانيكية كمومية للمادة حيث يمكن للتيار أن يتدفق عبر مادة ذات مقاومة صفرية. وهذا يؤدي إلى أداء نقل إلكتروني مثالي. تُستخدم الموصلات الفائقة في المغناطيسات الكهربائية القوية جدًا للتقنيات المتقدمة مثل التصوير بالرنين المغناطيسي، ومسرعات الجسيمات، ومفاعلات الاندماج، والقطارات المرفوعة. كما وجدت الموصلات الفائقة التطبيقات الاحصاء الكمية.
التحديات والابتكارات في تقنيات الموصلية الفائقة
تستخدم الإلكترونيات اليوم ترانزستورات أشباه الموصلات لتشغيل وإيقاف التيارات بسرعة، مما يؤدي إلى إنشاء الثنائيات والأصفار المستخدمة في معالجة المعلومات. ولأن هذه التيارات يجب أن تتدفق عبر مواد ذات مقاومة كهربائية محدودة، فإن بعض الطاقة تهدر على شكل حرارة. هذا هو السبب في ارتفاع درجة حرارة جهاز الكمبيوتر الخاص بك مع مرور الوقت. أدنى درجة حرارة مطلوبة للموصلية الفائقة عادة ما تكون أعلى من 200 درجة فهرنهايت تحت درجة التجمد، مما يجعل تلك المواد غير عملية بالنسبة للأجهزة المحمولة. ومع ذلك، فهي مفيدة على نطاق صناعي.
فريق الدراسة بقيادة شوا سانشيز جامعة واشنطن، قام بدراسة مادة فائقة التوصيل غير عادية ذات قابلية ضبط استثنائية. تتكون البلورة من صفائح مسطحة من ذرات اليوروبيوم المغناطيسية المحصورة بين طبقات فائقة التوصيل من ذرات الحديد والكوبالت والزرنيخ. إن العثور على المغناطيسية الحديدية والموصلية الفائقة في الطبيعة أمر نادر جدًا لدرجة أن مرحلة واحدة عادة ما تهيمن على الأخرى، وفقًا لسانشيز.
وقال سانشيز: “هذا في الواقع وضع غير مريح للغاية بالنسبة للطبقات فائقة التوصيل، لأنها مثقوبة بمجالات مغناطيسية من ذرات اليوروبيوم المحيطة”. “وهذا يضعف الموصلية الفائقة ويؤدي إلى مقاومة كهربائية محدودة.”
تقنيات ونتائج البحث المتقدمة
لفهم تفاعلات هذه المراحل، قضى سانشيز عامًا كمقيم في مصدر الفوتون المتقدم (APS)، وهو مرفق مستخدم تابع لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة في أرجون، وهو أحد مصادر ضوء الأشعة السينية الرائدة في البلاد. وهناك حصل على الدعم من برنامج أبحاث طلاب الدراسات العليا للعلوم التابع لوزارة الطاقة. من خلال العمل مع الفيزيائيين في خطوط شعاع ABS 4-ID و6-ID، طور سانشيز منصة توصيف شاملة قادرة على فحص التفاصيل المجهرية للمواد المعقدة.
وباستخدام مجموعة من تقنيات الأشعة السينية، تمكن سانشيز ومعاونوه من إظهار أنه من خلال تطبيق مجال مغناطيسي على البلورة، يمكن توجيه خطوط المجال المغناطيسي لليوروبيوم بالتوازي مع الطبقات فائقة التوصيل. وهذا يلغي آثارها العدائية ويخلق حالة العداء الصفري. وباستخدام القياسات الكهربائية وتقنيات نثر الأشعة السينية، تمكن العلماء من تأكيد قدرتهم على التحكم في سلوك المادة.
وقال فيليب رايان من أرجون، وهو مؤلف مشارك في الورقة: “إن طبيعة العوامل المستقلة التي تتحكم في الموصلية الفائقة جذابة للغاية لأنه يمكن للمرء أن يرسم طريقة كاملة للتحكم في هذا التأثير”. “تقدم هذه القدرة العديد من الأفكار الرائعة، بما في ذلك القدرة على التحكم في حساسية المجال للأجهزة الكمومية.”
ثم قام الفريق بتطبيق الضغوط على البلورة للحصول على نتائج مثيرة للاهتمام. ووجدوا أنه حتى بدون إعادة توجيه المجال، يمكن زيادة الموصلية الفائقة بما يكفي للتغلب على المغناطيسية، أو يمكن إضعاف إعادة التوجيه المغناطيسي بما يكفي لإنشاء حالة مقاومة صفرية. تسمح لنا هذه المعلمة الإضافية بالتحكم في حساسية المادة للمغناطيسية وتخصيصها.
وقال سانشيز: “هذه المادة مثيرة لأن هناك منافسة وثيقة بين مراحل متعددة، ومن خلال تطبيق ضغط صغير أو مجال مغناطيسي، يمكنك شحن مرحلة واحدة على أخرى لتشغيل وإيقاف الموصلية الفائقة”. “معظم الموصلات الفائقة ليست قابلة للتحويل بسهولة.”
ملاحظة: جوشوا ج. سانشيز، جيلبرتو فابريس، يونغتشونغ تشوي، جوناثان م. ديستيفانو، إليوت روزنبرغ، يو شي، بول مالينوفسكي، ينا هوانغ، إيغور آي. “الموصلية الفائقة المستحثة بالمجال القابلة للتحويل” بقلم ماجين وكيم ووسكي وجيون هاو تشو وفيليب ج. ريان، 24 نوفمبر 2023، التقدم العلمي.
دوى: 10.1126/sciadv.adj5200
“متعصب للموسيقى. مستكشف متواضع جدا. محلل. متعصب للسفر. مدرس تلفزيوني متطرف. لاعب.”