华盛顿大学科学家发现具有开关功能的突破性超导体 对外界刺激特别敏感

随着工业计算需求的增长，满足这些需求所需的硬件的尺寸和能耗也随之增长。超导材料是解决这一难题的可能方案，它可以成倍地降低能耗。试想一下，将一个装满不断运行的服务器的巨型数据中心冷却到近乎绝对零度，就能以惊人的能效进行大规模计算。

超导研究取得突破

华盛顿大学（University of Washington）和美国能源部阿贡国家实验室（DOE'sArgonne National Laboratory）的物理学家们取得了一项发现，它有助于实现这一更高效的未来。研究人员发现了一种对外界刺激特别敏感的超导材料，它可以随意增强或抑制超导特性。这为高能效可切换超导电路带来了新的机遇。论文发表在《科学进展》（Science Advances）上。

超导是一种量子力学物质相，在这种物质中，电流可以零电阻流过材料。这带来了完美的电子传输效率。超导体被用于磁共振成像、粒子加速器、核聚变反应堆甚至悬浮列车等先进技术中最强大的电磁铁中。超导体还可用于量子计算。

挑战与创新

当今的电子产品使用半导体晶体管来快速开关电流，从而产生信息处理中使用的二进制 1 和 0。由于这些电流必须流经具有有限电阻的材料，因此部分能量会以热量的形式被浪费掉。这就是为什么电脑会随着时间的推移而发热。超导所需的温度很低，通常低于冰点 200华氏度以上，因此这些材料不适合用于手持设备。不过，可以想象它们在工业规模上的用途。

由华盛顿大学的舒亚-桑切斯（Shua Sanchez）领导的研究小组研究了一种不寻常的超导材料，它具有非凡的可调性。这种晶体由夹在铁、钴和砷原子超导层之间的铁磁性铕原子平板构成。桑切斯说，在自然界中同时发现铁磁性和超导性是极为罕见的，因为通常一种相位会压倒另一种相位。

桑切斯说："对超导层来说，这实际上是一种非常不舒服的情况，因为它们会被周围铕原子的磁场穿透，这会削弱超导性，导致有限的电阻"。

先进的研究技术和成果

为了了解这些阶段之间的相互作用，桑切斯在美国领先的 X 射线光源--位于阿贡的能源部科学办公室用户设施先进光子源（APS）--实习了一年。在那里，他得到了能源部科学研究生研究计划的支持。桑切斯与 APS 4-ID 和 6-ID 光束线的物理学家合作，开发了一个能够探测复杂材料微观细节的综合表征平台。

桑切斯和他的合作者综合利用 X 射线技术，证明对晶体施加磁场可以调整铕磁场线的方向，使其与超导层平行。这消除了它们之间的拮抗作用，并导致出现零电阻状态。利用电学测量和 X 射线散射技术，科学家们能够证实他们能够控制材料的行为。

"控制超导性的独立参数的性质相当引人入胜，因为人们可以绘制出控制这种效应的完整方法，"论文的共同作者、阿贡大学的菲利普-瑞安说。"这种潜力提出了几个令人着迷的想法，包括为量子设备调节场灵敏度的能力"。

研究小组随后对晶体施加应力，结果非常有趣。他们发现，即使不重新调整磁场方向，超导电性也能被提升到足以克服磁性的程度，或者被削弱到磁场重新定向不再能产生零电阻状态的程度。这一附加参数允许控制和定制材料对磁性的敏感性。

桑切斯说："这种材料令人兴奋，因为你可以在多个相之间进行密切竞争，通过施加一个小应力或磁场，你就可以使一个相比另一个相更强，从而开启或关闭超导电性。绝大多数超导体都没有这么容易切换。"

编译来源：ScitechDaily