Supercomputere uden spildvarme

Generelt sagt, magnetisme og den tabsfrie strøm af elektrisk strøm ("superledning") er konkurrerende fænomener, der ikke kan eksistere side om side i den samme prøve. Imidlertid, til opbygning af supercomputere, synergetisk at kombinere begge stater har store fordele i forhold til nutidens halvlederteknologi, kendetegnet ved højt strømforbrug og varmeproduktion. Forskere fra Institut for Fysik ved University of Konstanz har nu vist, at den tabsfri elektriske overførsel af magnetisk kodet information er mulig. Denne opdagelse muliggør øget lagertæthed på integrerede kredsløbschips og reducerer energiforbruget i computercentre markant. Resultaterne af denne undersøgelse er blevet offentliggjort i det aktuelle nummer af det videnskabelige tidsskrift Naturkommunikation .

Miniaturiseringen af ​​halvlederteknologi nærmer sig sine fysiske grænser. I mere end 70 år har informationsbehandling i computere er blevet realiseret ved at oprette og overføre elektriske signaler, som frigiver varmeaffald. Varmeafledning resulterer i en temperaturstigning i byggestenene, hvilken, på tur, kræver komplekse kølesystemer. Varmestyring er en af ​​de store udfordringer i miniaturisering. Derfor, i øjeblikket gøres en indsats på verdensplan for at reducere spildvarme i databehandling og telekommunikation.

Et samarbejde på universitetet i Konstanz mellem den eksperimentelle fysikgruppe ledet af professor Elke Scheer og den teoretiske fysikgruppe ledet af professor Wolfgang Belzig anvender en tilgang baseret på spredningsfri ladningstransport i superledende byggesten. Magnetiske materialer bruges ofte til informationslagring. Magnetisk kodet information kan, i princippet, også transporteres uden varmeproduktion ved hjælp af elektron -spin i stedet for ladning. Kombinerer den tabsfrie ladningstransport af superledning med elektronisk transport af magnetisk information, dvs. spintronics, baner vejen for grundlæggende nye funktionaliteter til fremtidens energieffektive informationsteknologier.

Konstanz -universitetets forskere har taget fat på en stor udfordring forbundet med denne tilgang:det faktum, at i konventionelle superledere, strømmen føres af elektronpar med modsatte magnetiske momenter. Disse par er derfor ikke-magnetiske og kan ikke bære magnetisk information. Den magnetiske tilstand, derimod, dannes af magnetiske øjeblikke, der er justeret parallelt med hinanden, og derved undertrykke superledende strøm.

"Kombinationen af ​​superledning, der fungerer uden varmeproduktion, med spintronics, overførsel af magnetisk information, ikke modsiger nogen grundlæggende fysiske begreber, men blot naive antagelser om materialernes natur, " siger Elke Scheer. Nylige resultater tyder på, at ved at bringe superledere i kontakt med specielle magnetiske materialer, elektroner med parallelle spins kan bindes til par, der bærer superstrømmen over længere afstande gennem magneter. Dette koncept muliggør muligvis nye elektroniske enheder med revolutionerende egenskaber.

Under tilsyn af Elke Scheer, Dr. Simon Diesch udførte et eksperiment, der tydeliggør oprettelsesmekanismen for sådanne elektronpar med parallel spin -orientering. "Vi viste, at det er muligt at skabe og detektere disse spin-alignede elektronpar, Simon Diesch forklarer. Designet af systemet og fortolkningen af ​​måleresultaterne er baseret på doktorafhandlingen af ​​Dr. Peter Machon inden for teoretisk fysik, som blev udført under tilsyn af Wolfgang Belzig.

"Det er vigtigt at finde materialer, der muliggør sådanne justerede elektronpar. Vores er derfor ikke kun en fysik, men også et materialevidenskabeligt projekt, "siger Scheer. Forskere fra Karlsruhe Institute of Technology (KIT) leverede de skræddersyede prøver bestående af aluminium og europiumsulfid. Aluminium er en meget godt undersøgt superleder, muliggøre en kvantitativ sammenligning mellem teori og eksperiment. Europiumsulfid er en ferromagnetisk isolator, en vigtig materiel egenskab for virkeliggørelsen af ​​det teoretiske koncept, som bevarer sine magnetiske egenskaber selv i meget tynde lag med kun få nanometer i tykkelse, som brugt her. Ved hjælp af et scanningstunnelmikroskop udviklet ved universitetet i Konstanz, rumligt og energisk opløste målinger af ladningstransporten af ​​aluminium-europiumsulfidprøver blev udført ved lave temperaturer. I modsætning til kommercielle instrumenter, scanning-tunneling-mikroskopet baseret på Scheer-laboratoriet er blevet optimeret til ultimativ energiopløsning og til drift i varierende magnetfelter.

Spændingsafhængigheden af ​​ladningstransporten gennem prøverne er indikativ for energifordelingen af ​​elektronparrene og tillader nøjagtig bestemmelse af sammensætningen af ​​den superledende tilstand. Til denne ende, en teori tidligere udviklet af Belzig-gruppen og skræddersyet til at beskrive aluminium-europiumsulfid-grænsefladen blev anvendt. Denne teori vil gøre det muligt for forskerne at beskrive meget mere komplekse elektriske kredsløb og prøver i fremtiden. De energispektre, der forudsiges af teorien, stemmer overens med de eksperimentelle fund, giver direkte bevis på de magnetiske elektronpar.

Desuden, det eksperimentelt-teoretiske samarbejde løste eksisterende modsætninger vedrørende fortolkningen af ​​sådanne spektre. Med disse resultater, Universitetet i Konstanz håber fysikere at afsløre det store potentiale ved superledende spintronics til forbedring eller udskiftning af halvlederteknologi.