Undersøgelse viser, hvordan superledning kan slås til og fra i superledere

Superledere er materialer, der kan komme ind i en tilstand uden elektrisk modstand, hvorigennem magnetiske felter ikke kan trænge igennem. På grund af deres interessante egenskaber har mange materialeforskere og ingeniører udforsket disse materialers potentiale til en bred vifte af elektronikapplikationer.

En vigtig fordel ved superledere er, at de kan transportere elektriske signaler og samtidig forhindre deres spredning, hvilket er særligt nyttigt, når man udvikler kvantecomputere. At kontrollere deres tilstande, som det almindeligvis gøres med halvlederteknologi, har dog indtil videre vist sig at være udfordrende.

For et par år siden foreslog en undersøgelse, at superledningsevnen af ​​superledende materialer kunne tændes og slukkes. Forskere ved IBM Research i Zürich har undersøgt disse resultater yderligere i håbet om at forklare koblingsmekanismen, der blev afsløret af denne tidligere undersøgelse. Deres resultater blev for nylig beskrevet i et papir offentliggjort i Nature Electronics .

"Superledere er først og fremmest metaller, og metaller skærmer ydre elektriske felter meget effektivt," siger Andreas Fuhrer og Fabrizio Nichele, to af de forskere, der har udført undersøgelsen, til Phys.org. "Dette grundlæggende koncept, der findes i alle fysiklærebøger, blev sat i tvivl af en publikation fra 2018. I det arbejde hævdede forfatterne at have tændt og slukket for superledning i en titanium nanotråd via moderate elektriske felter påført af en nærliggende gateelektrode. "

Hvis de bekræftes, vil resultaterne indsamlet i 2018 af NEST og SPIN-CNR i Italien muliggøre udviklingen af ​​helt nye typer elektroniske og kvantecomputere baseret på superledere. For et par år siden satte de sig således for at afsløre den mikroskopiske, fysiske mekanisme, der opstår i nanometerstore superledere, når elektriske felter er til stede.

I et første papir offentliggjort i 2021 skitserede forskerne nogle indledende hints om den mulige oprindelse af den observerede undertrykte superledning i titanium nanotråde. Deres nye undersøgelse bygger på dette papir og tilbyder en mere detaljeret forklaring på resultaterne indsamlet af teamet hos NEST og SPIN-CNR.

"Vores tidligere arbejde viste, at undertrykkelsen af ​​superledning altid gik hånd i hånd med små lækstrømme, der strømmer fra gateelektroden til nanotråden," forklarede Fuhrer og Nichele. "Sådanne strømme var meget små (et par pA eller 0.000.000.000.001 Ampere), så de kunne være gået ubemærket hen i tidligere arbejde. For os var det rimeligt at antage, at en sådan strøm ville være ansvarlig for at forstyrre superledning, da energien af hver elektron båret af strømmen var ret stor (ca. 100.000 større end den bindingsenergi, der holder elektronerne i et metal i superledende tilstand)."

Mens deres tidligere undersøgelse gjorde det muligt for Fuhrer, Nichele og deres kolleger at få en fornemmelse af den mulige mekanisme, der understøtter den observerede undertrykkelse af superledning, manglede den stadig en række nøgleingredienser. Hovedmålet med deres seneste papir var at give en solid og tilfredsstillende forklaring på fænomenet.

"Vores nye eksperimenter er fuldstændig i overensstemmelse med vores første arbejde, i den forstand, at vi igen viser, at strømme, der lækker fra portene (ikke elektriske felter), er nødvendige for at undertrykke superledning i metalliske nanotråde," sagde Fuhrer og Nichele. "Men vi viste nu også, at strømmen ikke nødvendigvis behøver at flyde fra porten til nanotråden."

Forskerne opnåede lignende resultater, da strømmen af ​​højenergielektroner strømmede ud af ledningen, og når den flød mellem to elektroder placeret i nærheden af ​​nanotråden (uden at nogen elektroner nåede selve nanotråden). Disse resultater fremhæver den afgørende rolle, som materialets substrat spiller i undertrykkelsen af ​​superledning.

De enheder, som forskerne brugte i deres eksperimenter, er baseret på en krystallinsk siliciumwafer. Dette er substratet, hvor strømmene af højenergielektroner flyder, når der påføres høje spændinger mellem elektroderne.

"Når elektroner, accelereret til høj energi af de store spændinger, bevæger sig i siliciumet, sparker de siliciumatomer kontinuerligt og overfører deres energi til vibrationer i krystalgitteret (det fysikere kalder 'fononer')," forklarede Fuhrer og Nichele. "Til forskel fra elektroner rejser fononer meget lange afstande i siliciumgitteret (adskillige mikrometer) og kan nemt forstyrre den superledende tilstand i den metalliske nanotråd."

Det nylige arbejde af Fuhrer, Nichele og deres kolleger viser, at i modsætning til fotoner fungerer fononer som mediatorer. Baseret på denne opdagelse skabte holdet en koblingsenhed, der består af en dyb rende ætset ind i et siliciumsubstrat.

"Røften reflekterer fononerne genereret på den ene side og beskytter nanotråden, som varer længere i den superledende tilstand," sagde Fuhrer og Nichele. "Vibrationer er altid til stede i en krystal, jo højere temperatur, jo mere vibrerer krystallen. Imidlertid har de fononer, vi producerer i vores enheder, helt andre energier end dem, der er et resultat af en temperaturstigning."

Da forskerne udførte deres eksperimenter ved temperaturer under 4 Kelvin, fandt de ud af, at de producerede fotoner havde en temperatur på over 100 Kelvin. Dette fund forklarer, hvorfor switching-enheder som den, de udviklede, har meget lave strømbehov sammenlignet med mere konventionelle switche.

Samlet set tilbyder det nylige arbejde af Fuhrer, Nichele og deres kolleger hos IBM Research en sammenhængende og overbevisende forklaring på de eksperimentelle resultater offentliggjort af teamet hos NEST og SPIN-CNR i 2018, som tidligere var uforklarlige. I fremtiden kan deres forklaring hjælpe med at forstå superledere yderligere, hvilket potentielt muliggør deres brug til udvikling af nye typer enheder.

"Vores undersøgelse bidrager også til en ny generation af superledende enheder, hvor et metallisk element kan skiftes fra superledende til resistivt på en meget hurtig og strømeffektiv måde," sagde Fuhrer og Nichele. "Dette kan finde øjeblikkelig anvendelse inden for kvanteberegning, for eksempel inden for det område, der involverer styreelektronikken, der forbinder kvantebits til klassiske computere."

I deres papir introducerede Fuhrer, Nichele og deres kolleger også en tilgang til at generere højenergielektroner og fononer efter behov. Højenergipartikler, såsom kosmiske stråler, der rammer Jorden fra det ydre rum, er kendt for at have en negativ indvirkning på kvantecomputeres funktion. I fremtiden kan deres tilgang derfor også bruges til at studere virkningerne af højenergi-excitationer på kvanteteknologi yderligere.

"Vores hovedaktivitet er realiseringen af ​​kvantebits," tilføjede. "I vores næste papirer vil vi gerne kombinere vores switching-element med en qubit og undersøge, hvor tæt switchen kan placeres, så nye funktionaliteter introduceres uden de ulemper, der er forbundet med fononer." + Udforsk yderligere

Forskere opdager kvantefaseovergang i tryksatte cuprat-superledere

© 2022 Science X Network