Styring af superledende områder i et eksotisk metal

Forskere ved EPFL har skabt en metallisk mikroenhed, hvori de kan definere og tune mønstre af superledning. Deres opdagelse, som rummer store løfter for fremtidens kvanteteknologier, er netop blevet offentliggjort i Videnskab .

I superledere, elektroner bevæger sig uden modstand. Dette fænomen forekommer i øjeblikket kun ved meget lave temperaturer. Der er mange praktiske anvendelser, såsom magnetisk resonansbilleddannelse (MRI). Fremtidens teknologier, imidlertid, vil udnytte den totale synkronisering af elektronisk adfærd i superledere - en egenskab kaldet fasen. Der er i øjeblikket et kapløb om at bygge verdens første kvantecomputer, som vil bruge faser til at udføre beregninger. Konventionelle superledere er meget robuste og svære at påvirke, og udfordringen er at finde nye materialer, hvori den superledende tilstand let kan manipuleres i en enhed.

EPFL's Laboratory of Quantum Materials (QMAT), ledet af Philip Moll, har arbejdet på en specifik gruppe af ukonventionelle superledere kendt som tunge fermionmaterialer. QMAT-forskerne, som en del af et bredt internationalt samarbejde mellem EPFL, Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids, Los Alamos National Laboratory og Cornell University, gjorde en overraskende opdagelse om et af disse materialer, CeIrIn ₅ .

CeIrIn ₅ er et metal, der superleder ved en meget lav temperatur, kun 0,4°C over det absolutte nulpunkt (omkring -273°C). QMAT-forskerne, sammen med Katja C. Nowack fra Cornell University, har nu vist, at dette materiale kunne fremstilles med superledende områder, der eksisterer sideløbende med områder i en normal metallisk tilstand. Endnu bedre, de producerede en model, der giver forskere mulighed for at designe komplekse ledningsmønstre og, ved at variere temperaturen, at distribuere dem i materialet på en meget kontrolleret måde. Deres forskning er netop blevet offentliggjort i Videnskab .

For at opnå denne bedrift, videnskabsmændene snittede meget tynde lag af CeIrIn ₅ - kun omkring en tusindedel af en millimeter tyk - at de sluttede sig til et safirsubstrat. Når afkølet, materialet trækker sig betydeligt sammen, mens safiren trækker sig meget lidt. Den resulterende interaktion lægger vægt på materialet, som om den blev trukket i alle retninger, således en smule forvrængning af atombindingerne i skiven. Som superledningsevnen i CeIrIn ₅ er usædvanligt følsom over for materialets nøjagtige atomare konfiguration, at konstruere et forvrængningsmønster er alt, der skal til for at opnå et komplekst mønster af superledning. Denne nye tilgang giver forskere mulighed for at "tegne" superledende kredsløb på en enkelt krystalstang, et skridt, der baner vejen for nye kvanteteknologier.

Denne opdagelse repræsenterer et stort skridt fremad i at kontrollere superledningsevne i tunge fermionmaterialer. Men det er ikke slutningen på historien. I forlængelse af dette projekt, en post-doc forsker er netop begyndt at udforske mulige teknologiske anvendelser.

"Vi kunne, for eksempel, ændre regionerne med superledning ved at modificere materialets forvrængning ved hjælp af en mikroaktuator, " siger Moll. "Evnen til at isolere og forbinde superledende regioner på en chip kunne også skabe en slags switch til fremtidige kvanteteknologier, lidt ligesom de transistorer, der bruges i nutidens computere."