اكتشف فريق من الفيزيائيين مادة جديدة فائقة التوصيل تتمتع بقدرة فريدة على التكيف مع 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 قد يحدث ثورة في التطبيقات الصناعية واسعة النطاق.
ولهذه المادة تطبيقات محتملة في الدوائر فائقة التوصيل للجيل القادم من الإلكترونيات الصناعية.
استخدم الباحثون مصدر الفوتون المتقدم للتحقق من الميزات النادرة لهذه المادة، مما يمهد الطريق لحوسبة أكثر كفاءة على نطاق واسع.
مع زيادة احتياجات الحوسبة الصناعية، يزداد أيضًا حجم واستهلاك الطاقة للأجهزة 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 أنك تقوم بتبريد مركز بيانات عملاق مليء بالخوادم التي تعمل باستمرار حتى وقت قريب الصفر المطلقمما يتيح إجراء حسابات واسعة النطاق بكفاءة مذهلة في استخدام الطاقة.
اختراق في أبحاث الموصلية الفائقة
توصل فيزيائيون من جامعة واشنطن ومختبر أرجون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية إلى اكتشاف يمكن أن يساعد في جعل هذا المستقبل أكثر كفاءة ممكنًا. اكتشف الباحثون مادة فائقة التوصيل حساسة بشكل خاص للمؤثرات الخارجية، مما يجعل من الممكن تعزيز أو قمع خصائص التوصيل الفائق حسب الرغبة. وهذا يفتح فرصًا جديدة لدوائر فائقة التوصيل قابلة للتحويل وموفرة للطاقة. تم نشر الوثيقة في تقدم العلماء.
الموصلية الفائقة هي مرحلة من ميكانيكا الكم للمادة حيث يمكن للتيار الكهربائي أن يمر عبر مادة دون مقاومة. وهذا يؤدي إلى كفاءة مثالية للنقل الإلكتروني. تُستخدم الموصلات الفائقة في أقوى المغانط الكهربائية للتقنيات المتقدمة مثل التصوير بالرنين المغناطيسي ومسرعات الجسيمات ومفاعلات الاندماج وحتى القطارات المعلقة. كما تم العثور على استخدامات للموصلات الفائقة في الاحصاء الكمية.
التحديات والابتكارات في تقنيات الموصلية الفائقة
تستخدم الإلكترونيات اليوم ترانزستورات أشباه الموصلات لتشغيل وإيقاف التيارات الكهربائية بسرعة، مما يؤدي إلى إنشاء الثنائيات والأصفار المستخدمة في معالجة المعلومات. ولأن هذه التيارات يجب أن تمر 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. درجات الحرارة المنخفضة اللازمة للموصلية الفائقة، عادة ما تكون أعلى من 200 درجة فهرنهايت تحت الصفر، مما يجعل هذه المواد غير عملية للأجهزة المحمولة. ومع ذلك، فإنها يمكن أن تكون مفيدة في نهاية المطاف على نطاق صناعي.
فريق البحث بقيادة شوا سانشيز جامعة واشنطن، فحص مادة فائقة التوصيل غير عادية مع قابلية ضبط استثنائية. تتكون هذه البلورة من صفائح مسطحة من ذرات اليوروبيوم المغناطيسية المحصورة بين طبقات فائقة التوصيل من ذرات الحديد والكوبالت والزرنيخ. ووفقا لسانشيز، فإن الجمع بين المغناطيسية الحديدية والموصلية الفائقة في الطبيعة نادر للغاية، لأن مرحلة واحدة عادة ما تسود على الأخرى.
وقال سانشيز: “هذا في الواقع وضع غير مريح للغاية بالنسبة للطبقات فائقة التوصيل، لأنها مثقوبة بالمجالات المغناطيسية لذرات اليوروبيوم المحيطة”. “وهذا يضعف الموصلية الفائقة ويؤدي إلى مقاومة كهربائية محدودة.”
تقنيات ونتائج البحث المتقدمة
لفهم كيفية تفاعل هذه المراحل، قضى سانشيز عامًا كمقيم في أحد مصادر ضوء الأشعة السينية الرائدة في البلاد، وهو مصدر الفوتون المتقدم (APS)، وهو مرفق لمستخدمي مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة في أرجون. وأثناء وجوده هناك، تلقى الدعم من برنامج أبحاث طلاب الدراسات العليا التابع لوزارة الطاقة. من خلال العمل مع الفيزيائيين في خطوط شعاع APS 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 أن تطبيق مجال مغناطيسي على البلورة يمكن أن يعيد توجيه خطوط المجال المغناطيسي لليوروبيوم لتكون موازية للطبقات فائقة التوصيل. وهذا يزيل آثارها العدائية ويسبب ظهور حالة المقاومة الصفرية. وباستخدام القياسات الكهربائية وتقنيات نثر الأشعة السينية، تمكن العلماء من تأكيد قدرتهم على التحكم في سلوك المادة.
وقال فيليب رايان من أرجون، المؤلف المشارك في الدراسة: “إن طبيعة العوامل المستقلة التي تتحكم في الموصلية الفائقة رائعة للغاية، لأنه يمكن للمرء تطوير طريقة كاملة للتحكم في هذا التأثير”. “تقترح هذه الإمكانية العديد من الأفكار الرائعة، بما في ذلك القدرة على تنظيم حساسية المجال للأجهزة الكمومية.”
ثم قام الفريق بتطبيق القيود على البلورة وحقق نتائج مثيرة للاهتمام. ووجدوا أن الموصلية الفائقة يمكن إما زيادتها بدرجة كافية للتغلب على المغناطيسية حتى بدون إعادة توجيه المجال، أو إضعافها بدرجة كافية بحيث لا تتمكن إعادة التوجيه المغناطيسي من إنتاج حالة المقاومة الصفرية. تسمح لك هذه المعلمة الإضافية بالتحكم في حساسية المادة للمغناطيسية وتخصيصها.
قال سانشيز: “هذه المادة مثيرة لأن هناك منافسة وثيقة بين مراحل متعددة، ومن خلال تطبيق ضغط صغير أو مجال مغناطيسي، يمكنك تقوية مرحلة واحدة بالنسبة إلى الأخرى لتشغيل وإيقاف الموصلية الفائقة”. “إن الغالبية العظمى من الموصلات الفائقة ليست قابلة للتحويل بسهولة.”
المرجع: “الموصلية الفائقة الناجمة عن مجال قابل للتحويل إلى الإجهاد” بقلم جوشوا ج. سانشيز، جيلبرتو فابريس، يونجسيونج تشوي، جوناثان إم ديستيفانو، إليوت روزنبرغ، يوي شي، بول مالينوفسكي، يينا هوانغ، إيجور مازن، جونغ وو كيم ، جيون هاو تشو وفيليب جيه رايان، 24 نوفمبر 2023، تقدم العلماء.
دوى: 10.1126/sciadv.adj5200
