超導體有一天可能會為新一代超高效電子產品提供動力，但主要的技術障礙使該技術僅限於研究實驗室。現在，瑞典查爾姆斯理工大學的科學家們開發了一種新方法，可以解決該領域最大的挑戰之一：在較高溫度下保持超導性，同時應對強磁場。
這項突破可能有助於使超導技術更接近電子、電力系統和量子設備的實際應用。
現代數位設備、資料中心以及資訊和通訊技術 (ICT) 網路消耗了全球 6-12% 的電力。隨著能源需求的持續成長，研究人員正在尋找提高電子產品效率的方法。
超導體特別有吸引力，因為它們可以承載電流而不損失能量。與以熱形式耗散能量的傳統電子系統不同，超導體可以無電阻地傳輸電力。理論上，這可以使電網、電子和量子技術的效率提高數百倍。
為什麼超導體難以使用？
儘管超導體前景廣闊，但它仍面臨一些限制其實際應用的障礙。
挑戰之一是溫度。許多超導體只能在非常低的溫度下工作，通常在攝氏 200 度左右。要達到並維持這些溫度需要複雜且能源密集的冷卻系統。
磁場還有另一個大問題。強磁場會削弱甚至消除超導性。這一點尤其重要，因為許多先進的電子系統和量子技術都會產生或依賴磁場。
為了廣泛使用，超導材料必須能夠在更高的溫度（理想情況下接近室溫）下工作，同時在強磁環境中保持穩定。
更強超導的不同策略
多年來，研究人員一直試圖透過改變超導體的化學成分來改進超導體，但進展有限。查爾默斯團隊決定採取不同的方法。
「透過雕刻容納超導體的表面，我們能夠在比以前高得多的溫度下誘導超導性。我們還發現，即使暴露在強磁場中，該材料仍然保持超導性，」查爾姆斯理工大學量子器件物理學教授、一項已發表研究的主要作者 Floriana Lombardi 解釋道。 自然通訊。
微小的表面變化如何產生巨大的變化
研究人員使用銅酸鹽家族的氧化銅材料進行研究。眾所周知，銅酸鹽在相對較高的溫度下表現出超導性，但其化學結構在製造後很難改變。
研究中使用的超導層只有幾奈米厚，不到人類頭髮厚度的百萬分之一。這些超薄材料必須在稱為基板的支撐物上生長，該基板在製造過程中充當模板。
突破在於對基材本身進行奈米級改變。
「由於基底的原子以特定的模式排列，它們可以『指導』超導層的原子如何固定。透過改變基底的表面設計，我們能夠影響並確保超導特性得以保留，即使在更高的溫度和施加高磁場時也是如此，」SRIS瑞典研究所的研究員 Eric Walhberg）解釋道。
在添加超導薄膜之前，團隊在高溫下對基板進行了真空處理。這個過程在表面形成了小山脊和山谷的有序圖案。
這些微觀特徵改變了基底和超導層相遇的電子環境，為促進更強的超導性創造了條件。
「我們能夠看到電子特性如何開始在這個界面區域有一個優選的方向，並以穩定和加強超導狀態的方式表現，」隆巴迪說。
未來超導體的新設計原理
這些發現提出了一種關於超導材料的新思維方式。研究人員可以透過仔細設計這些材料生長的表面來提高性能，而不是僅僅專注於發現新材料或改變其化學性質。
「我們不是尋找全新的材料或操縱現有材料的化學性質，而是展示如何透過雕刻基材來提高超導性，」隆巴迪說。
研究人員認為，這種策略可以幫助超導體在更高的溫度下運行，甚至更接近室溫。
這項工作也指出了未來在節能電子、先進量子元件和必須在強磁場中運作的技術中的應用。
隆巴迪說：“這表明奈米尺度上非常小的變化可以產生決定性的影響，甚至釋放超導在未來電子學中的全部潛力。”
考試詳情
該研究“增強超薄 YBa 的超導性”2銅3哦7−δ 薄膜透過奈米麵基板”，發表在該雜誌上 自然通訊。
作者為埃里克·沃爾伯格、里卡多·阿帕亞、德布馬利亞·查克拉博蒂、阿列克謝·卡拉布霍夫、大衛·維尼奧勒斯、西里爾·普魯斯特、安妮卡·M·布萊克-謝弗、蒂洛·鮑赫、格茨·塞博爾德和弗洛里亞娜·隆巴迪。
參與此計畫的研究人員包括查爾姆斯理工大學、瑞典RISE研究所、義大利威尼斯Ca’ Foscari大學、印度KK Birla Goa校區Birla技術與科學研究所-Pilani、印度科學教育與研究學院(IISER)、瑞典烏普薩拉大學、法國格勒諾布爾阿爾卑斯大學、INSA和圖盧格茲大學、BTU布爾科特、BTU布爾-森夫。
部分研究是在 Myfab Chalmers 無塵室設施中進行的。
資金由瑞典研究委員會 (VR)、克努特和愛麗絲瓦倫堡基金會、歐盟透過 EIC 探路者補助金以及德國研究協會提供。
