Οι υπεραγωγοί μπορεί μια μέρα να βοηθήσουν στην τροφοδοσία μιας νέας γενιάς εξαιρετικά αποδοτικών ηλεκτρονικών, αλλά τα μεγάλα τεχνολογικά εμπόδια κρατούν την τεχνολογία σε μεγάλο βαθμό περιορισμένη στα ερευνητικά εργαστήρια. Τώρα, επιστήμονες στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Chalmers στη Σουηδία ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο που αντιμετωπίζει μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στον τομέα: διατήρηση της υπεραγωγιμότητας σε υψηλές θερμοκρασίες και αντίσταση σε ισχυρά μαγνητικά πεδία.
Οι πρόοδοι μπορούν να βοηθήσουν να έρθουν οι τεχνολογίες υπεραγωγιμότητας πιο κοντά στην πρακτική χρήση σε ηλεκτρονικά, ενεργειακά συστήματα και κβαντικές συσκευές.
Οι σύγχρονες ψηφιακές συσκευές, τα κέντρα δεδομένων και τα δίκτυα τεχνολογίας πληροφοριών και επικοινωνιών (ICT) αντιπροσωπεύουν περίπου το 6 έως 12 τοις εκατό της παγκόσμιας χρήσης ηλεκτρικής ενέργειας. Καθώς οι ενεργειακές απαιτήσεις συνεχίζουν να αυξάνονται, οι ερευνητές αναζητούν τρόπους για να κάνουν τα ηλεκτρονικά πιο αποτελεσματικά.
Οι υπεραγωγοί είναι ιδιαίτερα ελκυστικοί επειδή μπορούν να μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα χωρίς καμία απώλεια ενέργειας. Σε αντίθεση με τα συμβατικά ηλεκτρονικά συστήματα, τα οποία διαχέουν ενέργεια ως θερμότητα, οι υπεραγωγοί μπορούν να μεταδώσουν ηλεκτρική ενέργεια χωρίς αντίσταση. Θεωρητικά, αυτό θα μπορούσε να κάνει τα δίκτυα ισχύος, τα ηλεκτρονικά και την κβαντική τεχνολογία εκατοντάδες φορές πιο αποτελεσματικά.
Γιατί είναι δύσκολη η χρήση υπεραγωγών;
Παρά την υπόσχεσή τους, οι υπεραγωγοί αντιμετωπίζουν πολλά εμπόδια που περιορίζουν τις εφαρμογές τους στον πραγματικό κόσμο.
Μια πρόκληση είναι η θερμοκρασία. Πολλοί υπεραγωγοί λειτουργούν μόνο σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, συχνά μείον 200 βαθμούς Κελσίου. Η επίτευξη και η διατήρηση τέτοιων θερμοκρασιών απαιτεί πολύπλοκα και ενεργοβόρα συστήματα ψύξης.
Τα μαγνητικά πεδία παρουσιάζουν ένα άλλο σημαντικό πρόβλημα. Τα ισχυρά μαγνητικά πεδία μπορούν να αποδυναμώσουν ή ακόμα και να εξαλείψουν την υπεραγωγιμότητα. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό επειδή πολλά προηγμένα ηλεκτρονικά συστήματα και κβαντικές τεχνολογίες είτε δημιουργούν είτε βασίζονται σε μαγνητικά πεδία.
Για να είναι πρακτικά για ευρεία χρήση, τα υπεραγώγιμα υλικά πρέπει να μπορούν να λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες (ιδανικά κοντά σε θερμοκρασία δωματίου) και να είναι σταθερά σε ισχυρά μαγνητικά περιβάλλοντα.
Μια διαφορετική στρατηγική για ισχυρή υπεραγωγιμότητα
Οι ερευνητές έχουν περάσει χρόνια προσπαθώντας να βελτιώσουν τους υπεραγωγούς αλλάζοντας τη χημική τους σύνθεση, αλλά η πρόοδος ήταν περιορισμένη. Η ομάδα του Τσάλμερς αποφάσισε να ακολουθήσει μια διαφορετική προσέγγιση.
“Σμιλεύοντας την επιφάνεια στην οποία τοποθετείται ο υπεραγωγός, μπορέσαμε να προκαλέσουμε υπεραγωγιμότητα σε σημαντικά υψηλότερες θερμοκρασίες από ό,τι ήταν προηγουμένως δυνατό. Βρήκαμε επίσης ότι το υλικό παραμένει υπεραγώγιμο ακόμη και όταν εκτίθεται σε ισχυρά μαγνητικά πεδία”, εξηγεί η Floriana Lombardi, καθηγήτρια φυσικής κβαντικών συσκευών στο Chalmers και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης. Επικοινωνία με τη φύση.
Πώς μια μικρή αλλαγή επιφάνειας έκανε μεγάλη διαφορά
Οι ερευνητές εργάστηκαν με ένα υλικό οξειδίου του χαλκού από την οικογένεια του χαλκού. Είναι ήδη γνωστό ότι τα cuprates παρουσιάζουν υπεραγωγιμότητα σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες, αλλά η χημική τους σύνθεση είναι δύσκολο να αλλάξει μόλις σχηματιστούν.
Το υπεραγώγιμο στρώμα που χρησιμοποιήθηκε στη μελέτη είχε πάχος μόνο μερικά νανόμετρα, λιγότερο από το ένα εκατομμυριοστό του πάχους μιας ανθρώπινης τρίχας. Τέτοια εξαιρετικά λεπτά υλικά πρέπει να αναπτυχθούν σε μια βάση στήριξης που ονομάζεται υπόστρωμα, η οποία λειτουργεί ως πρότυπο κατά την κατασκευή.
Αυτή η ανακάλυψη προέκυψε κάνοντας τροποποιήσεις νανοκλίμακας στο ίδιο το υπόστρωμα.
«Δεδομένου ότι τα άτομα του υποστρώματος είναι διατεταγμένα σε ένα συγκεκριμένο μοτίβο, μπορούν να «καθοδηγήσουν» τον τρόπο καθίζησης των ατόμων του υπεραγώγιμου στρώματος. Αλλάζοντας τον σχεδιασμό της επιφάνειας του υποστρώματος, μπορέσαμε να επηρεάσουμε τις υπεραγώγιμες ιδιότητες και να διασφαλίσουμε ότι διατηρούνται ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες και όταν εφαρμόζονται υψηλά μαγνητικά πεδία.
Πριν προσθέσει το υπεραγώγιμο φιλμ, η ομάδα επεξεργάστηκε το υπόστρωμα σε κενό σε υψηλές θερμοκρασίες. Αυτή η διαδικασία δημιούργησε ένα τακτοποιημένο σχέδιο κορυφογραμμών και κοιλάδων σε όλη την επιφάνεια.
Αυτά τα μικροσκοπικά χαρακτηριστικά άλλαξαν το ηλεκτρονικό περιβάλλον όπου συναντήθηκαν το υπόστρωμα και το υπεραγώγιμο στρώμα, δημιουργώντας συνθήκες που ευνοούσαν την ισχυρή υπεραγωγιμότητα.
«Μπορούμε να δούμε πώς οι ιδιότητες των ηλεκτρονίων ξεκινούν έναν προτιμησιακό προσανατολισμό σε αυτή την αλληλοαγώγιμη περιοχή και συμπεριφέρονται με τρόπο που σταθεροποιεί και ενισχύει την υπεραγώγιμη κατάσταση», είπε ο Λομπάρντι.
Μια νέα σχεδιαστική αρχή για μελλοντικούς υπεραγωγούς
Τα αποτελέσματα εισάγουν έναν νέο τρόπο σκέψης για τα υπεραγώγιμα υλικά. Αντί να εστιάζουν αποκλειστικά στην ανακάλυψη νέων υλικών ή στην αλλαγή της χημείας τους, οι ερευνητές μπορεί να είναι σε θέση να βελτιώσουν την απόδοση σχεδιάζοντας προσεκτικά τις επιφάνειες στις οποίες αναπτύσσονται αυτά τα υλικά.
«Αντί να ψάχνουμε για εντελώς νέα υλικά ή να χειριζόμαστε τις χημικές ιδιότητες των υπαρχόντων υλικών, τώρα δείχνουμε πώς μπορεί να βελτιωθεί η υπεραγωγιμότητα με τη γλυπτική του υποστρώματος», είπε ο Lombardi.
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι αυτή η τεχνική θα μπορούσε τελικά να βοηθήσει τους υπεραγωγούς να λειτουργήσουν σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες, ενδεχομένως ακόμη πιο κοντά στη θερμοκρασία δωματίου.
Η εργασία επισημαίνει επίσης μελλοντικές εφαρμογές σε ενεργειακά αποδοτικά ηλεκτρονικά, προηγμένα κβαντικά υλικά και τεχνολογία που πρέπει να λειτουργούν σε ισχυρά μαγνητικά πεδία.
«Αυτό δείχνει ότι πολύ μικρές αλλαγές στη νανοκλίμακα μπορούν να έχουν αποφασιστικό αντίκτυπο και μπορεί ακόμη και να ξεκλειδώσουν το πλήρες δυναμικό της υπεραγωγιμότητας στα μελλοντικά ηλεκτρονικά», είπε ο Lombardi.
Λεπτομέρειες μελέτης
«Ενίσχυση της υπεραγωγιμότητας σε εξαιρετικά λεπτά YBA», αναφέρει η μελέτη2Ku3Και7−δ φιλμ μέσω νανοεπιπέδων υποστρωμάτων», δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Επικοινωνία με τη φύση.
Συγγραφείς περιλαμβάνουν τους Eric Wahlberg, Ricardo Arpaia, Debmalya Chakraborty, Alexey Kalabukhov, David Vignoles, Cyril Proust, Annika M. Black-Shaffer, Thilo Bauch, Gotz Seibold και Floriana Lombardi.
Ερευνητές που συμμετέχουν στο έργο είναι από το Chalmers University of Technology, RISE Research Institute, Σουηδία, Ca’ Foscari University, Italy, Birla Institute of Technology and Science – Pilani, Italy, KK Birla Goa Campus, Ινδία, Indian Institute of Science Education and Research (IISER), India, Uppsala University, University of Sweden, University, University, University. INSA-T, Γαλλία, και Institut für Physik, BTU Cottbus-Senftenberg, Γερμανία.
Μέρος της έρευνας διεξήχθη στο Myfab Chalmers, μια εγκατάσταση καθαρού δωματίου.
Η χρηματοδότηση παρασχέθηκε από το Σουηδικό Συμβούλιο Έρευνας (VR), το Ίδρυμα Knut και Alice Wallenberg, την Ευρωπαϊκή Ένωση μέσω επιχορήγησης EIC Pathfinder και την Deutsche Forschungsgemeinschaft.