Nowy metal to gamechanger. Elektronika stanie się szybsza

Nadprzewodniki w elektronice jako alternatywa dla krzemu

Czy przyszłość elektroniki należy do materiałów innych niż krzem? Niedawno pisaliśmy o cząsteczce z naturalnych pierwiastków, która potrafi przewodzić prąd bez strat energii, oferując potencjalną alternatywę dla tradycyjnych układów krzemowych. Teraz zespół badaczy z Uniwersytetu Rice’a, kierowany przez Ming Yi i Emilię Morosan, zrobił kolejny krok. Uczeni opracowali nowy materiał o wyjątkowych właściwościach, który może umożliwić budowę bardziej wydajnych urządzeń elektronicznych. To rozwiązanie wpisuje się w rosnące zainteresowanie, jakie od dawna budzą nadprzewodniki w elektronice.

Ten nowy materiał, znany jako metal linii węzłowej Kramersa, powstał dzięki dodaniu niewielkiej ilości indu do warstwowego związku tantalu i siarki. Choć zmiana była subtelna, skutki okazały się znaczące. Struktura krystaliczna uległa przekształceniu, co pozwoliło uzyskać nowe właściwości fizyczne.

Polecamy: Nadzieje naukowców prysły. Nadprzewodnik LK-99 nie działa w temperaturze pokojowej

Jak nadprzewodniki w elektronice zmieniają przepływ prądu

Nadprzewodniki w elektronice mają duże znaczenie, ponieważ potrafią przewodzić prąd bez strat energii. W przeciwieństwie do zwykłych przewodników, które nagrzewają się i tracą część energii w postaci ciepła, nadprzewodniki pozwalają prądowi płynąć swobodnie, bez oporu. Oznacza to, że urządzenia mogą działać znacznie wydajniej i oszczędniej. Takie rozwiązania są szczególnie przydatne tam, gdzie liczy się precyzja i minimalne zużycie energii. Na przykład w superkomputerach, medycynie, systemach zasilania czy nowoczesnym transporcie.

W przyszłości nadprzewodniki mogą całkowicie odmienić elektronikę. Pozwolą tworzyć ultraszybkie procesory, bezstratne linie przesyłu energii czy nawet lewitujące pociągi. Choć obecnie ich stosowanie ogranicza konieczność pracy w bardzo niskich temperaturach, naukowcy intensywnie pracują nad materiałami działającymi w temperaturze pokojowej. Gdy to się uda, nadprzewodniki staną się fundamentem nowej generacji urządzeń elektronicznych, bardziej wydajnych, trwałych i przyjaznych dla środowiska.

Kluczowe znaczenie ma to, jak zachowują się elektrony. W nowo opracowanym materiale elektrony o różnych spinach (czyli kierunkach wirowania) poruszają się różnymi ścieżkami, a te ścieżki przecinają się tylko w określonym punkcie. To właśnie efekt topologiczny, w którym elektrony „wiedzą”, którędy mają płynąć, i robią to niezależnie od drobnych zaburzeń w materiale.

„Nasza praca wytycza nową ścieżkę do odkrywania i projektowania materiałów kwantowych o pożądanych właściwościach dla przyszłej elektroniki” – powiedział Ming Yi w rozmowie z portalem Phys.org.

Połączenie topologii z nadprzewodnictwem

Najbardziej fascynującą cechą tego materiału jest jego zdolność do przewodzenia prądu bez strat, czyli nadprzewodnictwo. Kiedy łączy się je z właściwościami topologicznymi, powstają tzw. nadprzewodniki topologiczne. To właśnie one stają się nowym kierunkiem, w którym zmierzają nadprzewodniki w elektronice. Mogą usprawnić działanie systemów zasilania i znacząco zwiększyć moc obliczeniową.

„Zaprojektowanie materiału spełniającego rygorystyczne warunki symetrii było trudnym zadaniem, ale wyniki są satysfakcjonujące” – powiedziała Emilia Morosan, profesor fizyki i dyrektor Centrum Materiałów Kwantowych Uniwersytetu Rice’a.

Badania nad spinem elektronów

Aby uzyskać pożądane właściwości, naukowcy testowali różne proporcje składu. Następnie wykorzystali zaawansowane techniki pomiarowe, które pozwoliły dokładnie zbadać zachowanie elektronów, ich energię, kierunek ruchu oraz spin. To właśnie te precyzyjne analizy pozwalają rozumieć, jak funkcjonują nadprzewodniki w elektronice na poziomie kwantowym.

„Możemy precyzyjnie dostosować właściwości materiału, aby podkreślić jego cechy topologiczne” – zaznaczył Yichen Zhang, współautor badania.

Oprócz eksperymentów w laboratorium naukowcy wykonali również obliczenia komputerowe. Modele teoretyczne potwierdziły wyniki uzyskane podczas testów. Dzięki temu udało się jeszcze lepiej zrozumieć, jak działa struktura elektronowa nowego materiału. Jest ona kluczowa dla przyszłych zastosowań, w których dominować mogą nadprzewodniki w elektronice.

Szukasz treści, które naprawdę dają do myślenia? Sięgnij po kwartalnik Holistic News!

Co jeszcze trzeba zbadać?

Choć odkrycie jest przełomowe, to dopiero początek drogi. Naukowcy zaznaczają, że potrzebne są kolejne eksperymenty, aby poznać pełen potencjał tego typu materiałów. Nadal otwarte pozostaje pytanie, czy nadprzewodniki w elektronice mogą działać w temperaturze pokojowej i bez wysokiego ciśnienia. To warunek konieczny, by można je było wykorzystywać na szeroką skalę. Ważna jest też ich trwałość w różnych warunkach, od przemysłu po urządzenia konsumenckie.

Polecamy: Przełom w nauce. Badacze odkryli, jak sterować światłem w czasie