اكتشف فريق من الفيزيائيين نوعًا جديدًا من المواد فائقة التوصيل التي يمكن ضبطها بشكل فريد للاستجابة للمحفزات الخارجية ويمكن أن تعزز تطوير الحوسبة الموفرة للطاقة والتقنيات الكمومية. يتيح هذا الإنجاز، الذي تم تحقيقه من خلال تكنولوجيا البحث المتقدمة، تحكمًا غير مسبوق في خصائص الموصلية الفائقة ولديه القدرة على إحداث ثورة في التطبيقات الصناعية واسعة النطاق. ومن المتوقع أن يتم استخدام هذه المادة في دوائر فائقة التوصيل للجيل القادم من الإلكترونيات الصناعية.

مع نمو احتياجات الحوسبة الصناعية، يتزايد أيضًا حجم واستهلاك الطاقة للأجهزة المطلوبة لتلبية تلك الاحتياجات. تعتبر المواد فائقة التوصيل حلاً محتملاً لهذه المشكلة، والتي يمكن أن تقلل من استهلاك الطاقة بشكل كبير. فقط تخيل تبريد مركز بيانات عملاق مليء بالخوادم التي تعمل باستمرار إلى ما يقرب من الصفر المطلق لتمكين الحوسبة واسعة النطاق بكفاءة مذهلة في استخدام الطاقة.

اختراق في أبحاث الموصلية الفائقة

توصل علماء الفيزياء في جامعة واشنطن ومختبر أرجون الوطني التابع لوزارة الطاقة إلى اكتشاف يمكن أن يساعد في تحقيق هذا المستقبل الأكثر كفاءة. اكتشف الباحثون مادة فائقة التوصيل حساسة بشكل خاص للمؤثرات الخارجية ويمكنها تعزيز أو قمع خصائصها فائقة التوصيل حسب الرغبة. وهذا يجلب فرصًا جديدة لدوائر فائقة التوصيل قابلة للتحويل وموفرة للطاقة. تم نشر الورقة في Science Advances .

الموصلية الفائقة هي مرحلة ميكانيكية كمومية للمادة حيث يمكن للتيار الكهربائي أن يتدفق عبر مادة ذات مقاومة صفرية. وهذا يؤدي إلى كفاءة نقل الإلكترون المثالية. تُستخدم الموصلات الفائقة في أقوى المغانط الكهربائية في التقنيات المتقدمة مثل التصوير بالرنين المغناطيسي، ومسرعات الجسيمات، ومفاعلات الاندماج النووي، وحتى القطارات المعلقة. يمكن أيضًا استخدام الموصلات الفائقة في الحوسبة الكمومية.

التحديات والابتكارات

تستخدم الإلكترونيات اليوم ترانزستورات أشباه الموصلات لتشغيل التيار وإيقافه بسرعة، مما يؤدي إلى إنتاج الأصفار الثنائية والأصفار المستخدمة في معالجة المعلومات. ولأن هذه التيارات يجب أن تتدفق عبر المواد ذات المقاومة المحدودة، فإن بعض الطاقة تهدر على شكل حرارة. هذا هو السبب في ارتفاع درجة حرارة أجهزة الكمبيوتر مع مرور الوقت. درجات الحرارة المطلوبة للتوصيل الفائق منخفضة جدًا، وغالبًا ما تكون أكثر من 200 درجة فهرنهايت تحت درجة التجمد، لذا فإن هذه المواد غير مناسبة للاستخدام في الأجهزة المحمولة. ومع ذلك، يمكن للمرء أن يتصور استخدامها على نطاق صناعي.

قام فريق بحث بقيادة شوا سانشيز من جامعة واشنطن بدراسة مادة فائقة التوصيل غير عادية مع قابلية ضبط غير عادية. تتكون البلورة من ألواح مسطحة من ذرات اليوروبيوم المغناطيسية المحصورة بين طبقات فائقة التوصيل من ذرات الحديد والكوبالت والزرنيخ. وقال سانشيز إنه من النادر للغاية العثور على كل من المغناطيسية الحديدية والموصلية الفائقة في الطبيعة لأن إحدى الطورين عادة ما تتغلب على الأخرى.

وقال سانشيز: "هذا في الواقع وضع غير مريح للغاية بالنسبة للطبقات فائقة التوصيل، لأنه يتم اختراقها بواسطة المجال المغناطيسي لذرات اليوروبيوم المحيطة، مما يضعف الموصلية الفائقة ويؤدي إلى مقاومة محدودة".

تقنيات ونتائج البحوث المتقدمة

لفهم التفاعلات بين هذه المراحل، أمضى سانشيز عامًا في التدريب في مصدر ضوء الأشعة السينية الرائد في البلاد، وهو مصدر الفوتون المتقدم (APS)، وهو مرفق مستخدم تابع لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة في أرجون. وهناك حصل على دعم من برنامج أبحاث الدراسات العليا للعلوم التابع لوزارة الطاقة. تعاون سانشيز مع علماء الفيزياء في خطوط شعاع APS4-ID و6-ID لتطوير منصة توصيف شاملة قادرة على فحص التفاصيل المجهرية في المواد المعقدة.

باستخدام مجموعة من تقنيات الأشعة السينية، أظهر سانشيز ومعاونوه أن تطبيق مجال مغناطيسي على البلورة يمكن أن يضبط اتجاه خطوط المجال المغناطيسي لليوروبيوم بحيث تكون موازية للطبقة فائقة التوصيل. وهذا يزيل العداء بينهما ويؤدي إلى حالة المقاومة الصفرية. وباستخدام القياسات الكهربائية وتقنيات نثر الأشعة السينية، تمكن العلماء من إثبات قدرتهم على التحكم في سلوك المادة.

وقال المؤلف المشارك في الورقة فيليب رايان من جامعة أرجون: "إن طبيعة العوامل المستقلة التي تتحكم في الموصلية الفائقة رائعة للغاية لأنه يمكن للمرء أن يرسم الوسائل الكاملة التي يتم من خلالها التحكم في هذا التأثير". "تثير هذه الإمكانية العديد من الأفكار الرائعة، بما في ذلك القدرة على ضبط حساسية المجال للأجهزة الكمومية."

ثم قام الفريق بالضغط على البلورة، وكانت النتائج مثيرة للاهتمام للغاية. ووجدوا أنه بدون إعادة توجيه المجال المغناطيسي، يمكن تعزيز الموصلية الفائقة بما يكفي للتغلب على المغناطيسية، أو إضعافها إلى النقطة التي لا يمكن فيها لإعادة توجيه المجال المغناطيسي إنتاج حالة مقاومة صفرية. تسمح هذه المعلمة الإضافية بالتحكم في قابلية المادة للمغناطيسية وتخصيصها.

قال سانشيز: "هذه المادة مثيرة لأنه يمكن أن يكون لديك أطوار متعددة في منافسة متقاربة، ومن خلال تطبيق ضغط صغير أو مجال مغناطيسي، يمكنك جعل مرحلة واحدة أقوى من الأخرى، مما يؤدي إلى تشغيل أو إيقاف الموصلية الفائقة". "لا يتم تبديل معظم الموصلات الفائقة بهذه السهولة."

المصدر المجمع: ScitechDaily