Wissenschaftler entdecken bahnbrechenden Supraleiter mit Ein-Aus-Schaltern

Durchbruch in der Supraleitforschung

Physiker an der University of Washington und dem Argonne National Laboratory des U.S. Department of Energy (DOE) haben eine Entdeckung gemacht, die diese effizientere Zukunft ermöglichen könnte. Die Forscher haben ein supraleitendes Material gefunden, das einzigartig empfindlich auf äußere Reize reagiert und somit die supraleitenden Eigenschaften nach Belieben verstärken oder unterdrücken kann. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für energieeffiziente schaltbare supraleitende Schaltungen. Die Studie wurde in Science Advances veröffentlicht.

Supraleitfähigkeit ist eine quantenmechanische Materiephase, bei der ein elektrischer Strom ohne Widerstand durch ein Material fließen kann. Dies führt zu einer perfekten Effizienz des elektronischen Transports. Supraleiter werden in den kraftvollsten Elektromagneten für fortschrittliche Technologien wie Magnetresonanztomographie, Teilchenbeschleuniger, Fusionsreaktoren und sogar schwebende Züge verwendet. Supraleiter finden auch Anwendung in der Quantencomputertechnologie.

Herausforderungen und Innovationen in der Supraleitungstechnologie

Die heutige Elektronik verwendet halbleitende Transistoren, um elektrische Ströme schnell ein- und auszuschalten und somit die binären Einsen und Nullen zu erzeugen, die bei der Informationsverarbeitung verwendet werden. Da diese Ströme durch Materialien mit endlichem elektrischem Widerstand fließen müssen, geht ein Teil der Energie als Wärme verloren. Deshalb wird Ihr Computer im Laufe der Zeit warm. Die niedrigen Temperaturen, die für Supraleitfähigkeit benötigt werden - normalerweise mehr als 200 Grad Fahrenheit unter dem Gefrierpunkt - machen diese Materialien jedoch für Handgeräte praktisch unbrauchbar. Auf industrieller Ebene könnten sie jedoch theoretisch nützlich sein.

Das Forschungsteam unter der Leitung von Shua Sanchez von der University of Washington untersuchte ein ungewöhnliches supraleitendes Material mit außergewöhnlicher Steuerbarkeit. Dieses Kristall besteht aus flachen Schichten ferromagnetischer Europiumatome, die zwischen supraleitenden Schichten aus Eisen-, Kobalt- und Arsenatomen eingebettet sind. Nach Angaben von Sanchez ist es äußerst selten, Ferromagnetismus und Supraleitfähigkeit zusammen in der Natur zu finden, da normalerweise eine Phase die andere dominiert.

Fortgeschrittene Forschungstechniken und Ergebnisse

Um die Wechselwirkung dieser Phasen zu verstehen, verbrachte Sanchez ein Jahr als Gast in einer der führenden Röntgenlichtquellen des Landes, dem Advanced Photon Source (APS), einer vom DOE betriebenen Einrichtung für Wissenschaftsanwendungen in Argonne. Während seiner Zeit dort wurde er im Rahmen des Science Graduate Student Research Programms des DOE unterstützt. In Zusammenarbeit mit Physikern an den APS-Strahllinien 4-ID und 6-ID entwickelte Sanchez eine umfassende Charakterisierungsplattform, die in der Lage ist, mikroskopische Details komplexer Materialien zu untersuchen.

Das Team hat dann Belastungen auf den Kristall ausgeübt und interessante Ergebnisse erzielt. Sie stellten fest, dass die Supraleitfähigkeit entweder so stark gesteigert oder geschwächt werden konnte, dass der magnetische Umbau den widerstandslosen Zustand nicht mehr erzeugen konnte, ohne das Feld neu auszurichten. Dieser zusätzliche Parameter ermöglicht es, die Empfindlichkeit des Materials gegenüber Magnetismus zu kontrollieren und anzupassen.

„Dieses Material ist aufregend, weil es einen engen Wettbewerb zwischen mehreren Phasen gibt und indem man eine geringe Belastung oder ein magnetisches Feld anwendet, kann man eine Phase über die andere steigern, um die Supraleitfähigkeit ein- und auszuschalten“, sagte Sanchez. „Die große Mehrheit der Supraleiter ist bei weitem nicht so leicht schaltbar.“