kozmos.hr
  • Naslovnica
  • /
  • Tehnologija
  • /
  • Istraživanje pokazalo kako se supravodljivost može uključiti i isključiti u supravodičima
Tehnologija

Istraživanje pokazalo kako se supravodljivost može uključiti i isključiti u supravodičima

Elektron. Izvor: Depositphotos.com.
objavljeno

Znanstvenici su objasnili mehanizam koji omogućava uključivanje i isključivanje supraprovodljivosti u određenim materijalima. Ovo bi moglo znatno pomoći pri razvoju novih tehnologija, osobito kada je riječ o kvantnim računalima.

Ukljičivanje i isključivanje supraprovodljivosti materijala

Supravodiči su materijali koji mogu postići stanje bez električnog otpora, a da pritom kroz njega ne može prodrijeti magnetno polje. Znanstvenici i inženjeri sada istražuju na koje se sve načine ovi materijali mogu primijeniti u elektronici. Njihova prednost je što mogu prenositi električne signale istovremeno sprječavajući njihovo raspianje, a to se pokazuje sve važnijim pri razvoju kvantnih računala. Međutim, kontrola stanja supravodiča zasad se pokazala prilično izazovnom.

Istraživanja su prije nekoliko godina pokazala da se supraprovodljivost materijala može naizmjenično uključivati i isključivati. U međuvremenu, znanstvenici s IBM Research-a iz Züricha nastavili su istraživati te mogućnosti i došli do novih saznanja koje su objavili u časopisu Nature Electronics. “Supervodiči su metali, a metali vrlo učinkovito štite vanjska električna polja”, tvrde Andreas Fuhrer i Fabrizio Nichele, istraživači koji su provodili novu studiju. “Ovaj temeljni koncept, koji se nalazi u svim udžbenicima fizike, doveden je u pitanje publikacijom iz 2018. U tom radu autori su tvrdili da su uključivali i isključivali supravodljivost u titanskoj nanožici putem umjerenih električnih polja iz elektrode.”

Inžinjeri MIT-a stvorili „nemogući“ materijal snažniji od čelika

Objašnjenje potisnute supraprovodljivosti

Ako se potvrde rezultati istraživanja NEST-a i SPIN-CNR-a iz 2018., to bi omogućilo razvoj novih vrsta elektroničkih i kvantnih računala koji se temelje na supravodičima. U inicijalnom radu koji je objavljen 2021., Fuhrer i Nichele ponudili su detaljnije objašnjenje za potisnutu supraprovodljivost. “Naš prethodni rad pokazao je da je potisnutost supravodljivosti uvijek išla ruku pod ruku s malim strujama koje su curile od elektrode do nanožice”, tvrde Fuhrer i Nichele. “Takve su struje bile vrlo male (nekoliko pA ili 0,000,000,000,001 Ampera), tako da su mogle proći nezapaženo u prethodnom radu. Za nas je bilo razumno pretpostaviti da bi takva struja bila odgovorna za poremećaj supravodljivosti, jer je energija svakog elektrona nošenog strujom bila prilično velika (oko 100 000 veća od energije vezivanja koja drži elektrone u metalu u supravodljivom stanju).”

Iako je njihova prethodna studija omogućila Fuhreru, Nicheleu i njihovim kolegama da steknu poznavanje mogućeg mehanizma koji podupire potiskivanje supravodljivosti, još uvijek je nedostajao niz ključnih detalja. Glavni cilj njihovog novog rada bio je ponuditi čvrsto i zadovoljavajuće objašnjenje za ovaj fenomen. “Naši novi eksperimenti potpuno su u skladu s inicijalnim radom, u smislu da ponovno pokazujemo da su struje koje cure iz vrata odnosno elektrode potrebne za suzbijanje supravodljivosti u metalnim nanožicama. Međutim, sada smo također pokazali da struja ne mora nužno teći od vrata do nanožice.”

Sličan rezultat dobije se i kad struja dolazi iz žice

Istraživači su postigli slične rezultate kada je struja visokoenergetskih elektrona potekla iz žice i kada je tekla između dvije elektrode postavljene u blizini nanožice (bez da ikakvi elektroni dođu do same nanožice). Ovi rezultati pokazuju ključnu ulogu materijalne podloge u suzbijanju supravodljivosti. Istraživači su pritom koristili uređaje s kristalnim silicijskim pločicama u kojima teku struje visokoenergijskih elektrona kada se između elektroda primijeni visoki napon.

“Dok se ubrzani elektroni visoke energije kreću u siliciju, oni neprestano udaraju u atome silicija, prenoseći svoju energiju na vibracije u kristalnoj rešetki tzv. ‘fonone’. Za razliku od elektrona, fononi putuju na velike udaljenosti u silicijskoj rešetki (nekoliko mikrometara) i mogu lako poremetiti supravodljivo stanje u metalnoj nanožici” navode Fuhrer i Nichele.

Istraživači su razvili uređaj u vidu prekidača

Istraživanje je pokazalo da za razliku od fotona, fononi djeluju kao posrednici. Temeljem toga, tim je stvorio uređaj-prekidač koji se sastoji od dubokog rova ​​urezanog u silicijsku podlogu. “Rov reflektira fonone generirane s jedne strane i štiti nanožicu, koja dulje opstaje u supravodljivom stanju”, rekli su Fuhrer i Nichele. “Vibracije su uvijek prisutne u kristalu odnosno što je temperatura viša, to kristal više vibrira. Međutim, fononi koje proizvodimo u našim uređajima imaju potpuno drugačiju energiju od onih koji nastaju kao rezultat povećanja temperature.”

Kada su istraživači izveli svoje eksperimente na temperaturama ispod -269.15 ° C, otkrili su da proizvedeni fotoni imaju temperaturu iznad -173.15 °C. Ovo otkriće objašnjava zašto uređaji poput onog koji su razvili, imaju vrlo niske zahtjeve za napajanjem u usporedbi s konvencionalnim prekidačima.

Nova generacija supraprovodljivih uređaja

Rad Fuhrera, Nichelea i njihovih suradnika s IBM Research-a, objasnio je rezultate eksperimenata iz 2018. Novi nalazi pomažu u razumijevanju supravodiča te omogućuju njihovu uporabu kada je riječ o razvoju novih tehnologija. “Naša studija doprinosi razvoju nove generaciji supravodljivih uređaja u kojima se metalni element može prebaciti iz supravodljivog u otporno stanje na vrlo brz i energetski učinkovit način”, tvrde Fuhrer i Nichele. “Ovo bi se moglo primjeniti na području kvantnih računala.”

U svom radu, Fuhrer, Nichele i njihovi kolege također su predstavili pristup za generiranje visokoenergetskih elektrona i fonona na zahtjev. Poznato je da visokoenergetske čestice, poput kozmičkih zraka koje udaraju u Zemlju iz svemira, negativno utječu na funkcioniranje kvantnih računala. Stoga bi se u budućnosti njihov pristup također mogao koristiti za proučavanje visokoenergetskih učinaka na kvantnu tehnologiju. “Naš cilj je realizirati kvantne bitove. U našim sljedećim radovima, htjeli bismo povezati naš prekidač s kubitom i istražiti koliko blizu se prekidač može postaviti za uvođenje novih funkcionalnosti bez nedostataka povezanih s fononima.”

Znanstvenici pomoću kvantnog računala otkrivaju što se nalazi unutar crne rupe te razmatraju kvantnu gravitaciju

Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram

t.me/kozmoshr

Izvori:

Giorgio De Simoni et al, Metallic supercurrent field-effect transistor, Nature Nanotechnology (2018). DOI: 10.1038/s41565-018-0190-3

M. F. Ritter et al, A superconducting switch actuated by injection of high-energy electrons, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-21231-2

M. F. Ritter et al, Out-of-equilibrium phonons in gated superconducting switches, Nature Electronics (2022). DOI: 10.1038/s41928-022-00721-1

Anonymous (1. travnja 2022.), Superconductivity can be Switched On and Off in Superconductors, ELE Times, Eletimes (pristup 11. travnja 2022.)

Fadeli I. (30. ožujka 2022.), Study shows how superconductivity can be switched on and off in superconductors, Phys.org (pristup 11. travnja 2022.)

 

 

Ja sam Matija Klarić.
Student sam Ekonomskog fakulteta, a u slobodno se vrijeme bavim volonterstvom te istraživanjem, čitanjem i pisanjem o mojim omiljenim temama; svemiru, astronomiji, astrofizici i tehnologiji.