Este material tiene aplicaciones potenciales en circuitos superconductores para la próxima generación de electrónica industrial.

Los investigadores utilizaron Advanced Photon Source para verificar características raras de este material, allanando el camino para una computación a gran escala más eficiente.

A medida que aumentan las necesidades de informática industrial, también aumenta el tamaño y el consumo de energía del hardware necesario para satisfacer esas necesidades. Una posible solución a este dilema podría encontrarse en los materiales superconductores, que podrían reducir exponencialmente este consumo energético. Imagine enfriar un centro de datos gigante lleno de servidores en constante funcionamiento hasta que casi cero absolutopermitiendo cálculos a gran escala con una eficiencia energética increíble.

Avance en la investigación de la superconductividad

Físicos de la Universidad de Washington y el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han hecho un descubrimiento que podría ayudar a hacer posible este futuro más eficiente. Los investigadores han descubierto un material superconductor que es particularmente sensible a los estímulos externos, lo que permite mejorar o suprimir las propiedades superconductoras a voluntad. Esto abre nuevas oportunidades para circuitos superconductores conmutables energéticamente eficientes. El documento fue publicado en Los científicos progresan.

La superconductividad es una fase de la mecánica cuántica de la materia en la que una corriente eléctrica puede atravesar un material sin resistencia. Esto conduce a una perfecta eficiencia del transporte electrónico. Los superconductores se utilizan en los electroimanes más potentes para tecnologías avanzadas como imágenes por resonancia magnética, aceleradores de partículas, reactores de fusión e incluso trenes levitantes. Los superconductores también han encontrado usos en computación cuántica.

Retos e innovaciones en tecnologías superconductoras

La electrónica actual utiliza transistores semiconductores para activar y desactivar rápidamente las corrientes eléctricas, creando los unos y los ceros binarios que se utilizan en el procesamiento de la información. Debido a que estas corrientes deben pasar a través de materiales con resistencia eléctrica limitada, parte de la energía se desperdicia en forma de calor. Esta es la razón por la que su computadora se calienta con el tiempo. Las bajas temperaturas necesarias para la superconductividad, normalmente por encima de los 200 grados. Fahrenheit bajo cero, hace que estos materiales no sean prácticos para dispositivos portátiles. Sin embargo, eventualmente podrían resultar útiles a escala industrial.

El equipo de investigación, dirigido por Shua Sánchez de Universidad de Washington, examinó un material superconductor inusual con una capacidad de sintonización excepcional. Este cristal consta de láminas planas de átomos ferromagnéticos de europio intercalados entre capas superconductoras de átomos de hierro, cobalto y arsénico. Según Sánchez, la combinación de ferromagnetismo y superconductividad en la naturaleza es extremadamente rara, porque una fase suele prevalecer sobre la otra.

«Esta es realmente una situación muy incómoda para las capas superconductoras, porque están atravesadas por los campos magnéticos de los átomos de europio circundantes», afirmó Sánchez. «Esto debilita la superconductividad y da como resultado una resistencia eléctrica finita».

Técnicas avanzadas de investigación y resultados.

Para comprender cómo interactúan estas fases, Sánchez pasó un año como residente en una de las principales fuentes de luz de rayos X del país, la Fuente Avanzada de Fotones (APS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Argonne. Mientras estuvo allí, recibió apoyo del Programa de Investigación para Estudiantes Graduados en Ciencias del DOE. Trabajando con físicos de las líneas de luz APS 4-ID y 6-ID, Sánchez ha desarrollado una plataforma de caracterización integral capaz de sondear los detalles microscópicos de materiales complejos.

Utilizando una combinación de técnicas de rayos X, Sánchez y sus colaboradores pudieron demostrar que la aplicación de un campo magnético al cristal puede reorientar las líneas del campo magnético del europio para que sean paralelas a las capas superconductoras. Esto elimina sus efectos antagónicos y provoca el surgimiento de un estado de resistencia cero. Utilizando mediciones eléctricas y técnicas de dispersión de rayos X, los científicos pudieron confirmar que podían controlar el comportamiento del material.

«La naturaleza de los parámetros independientes que controlan la superconductividad es bastante fascinante, porque se podría desarrollar un método completo para controlar este efecto», afirmó Philip Ryan de Argonne, coautor del artículo. «Este potencial sugiere varias ideas fascinantes, incluida la capacidad de regular la sensibilidad de campo de los dispositivos cuánticos».

Luego, el equipo aplicó restricciones al cristal con resultados interesantes. Descubrieron que la superconductividad podía aumentarse lo suficiente como para superar el magnetismo incluso sin reorientar el campo, o debilitarse lo suficiente como para que la reorientación magnética ya no pudiera producir el estado de resistencia cero. Este parámetro adicional le permite controlar y personalizar la sensibilidad del material al magnetismo.

«Este material es interesante porque existe una estrecha competencia entre múltiples fases y, al aplicar una pequeña tensión o campo magnético, se puede fortalecer una fase en relación con la otra para activar y desactivar la superconductividad», dijo Sánchez. «La gran mayoría de los superconductores no son tan fácilmente conmutables».

Referencia: “Superconductividad inducida por un campo conmutable por estrés” por Joshua J. Sanchez, Gilberto Fabbris, Yongseong Choi, Jonathan M. DeStefano, Elliott Rosenberg, Yue Shi, Paul Malinowski, Yina Huang, Igor I. Mazin, Jong-Woo Kim , Jiun-Haw Chu y Philip J. Ryan, 24 de noviembre de 2023, Los científicos progresan.
DOI: 10.1126/sciadv.adj5200