Chalmers-genombrott kan bana väg för betydligt energisnålare elektronik
Forskare vid Chalmers tekniska högskola har utvecklat en ny designprincip för supraledande material som kan bana väg för energieffektiv elektronik. Genombrottet kan på sikt möjliggöra betydligt lägre energiförbrukning i allt från datacenter till kvantteknologi.
Idag står digitala enheter, datacenter och informations- och kommunikationsteknik för omkring 6–12 procent av världens elanvändning, skriver Chalmers på sin hemsida. Till skillnad från dagens elektronik, där energi går förlorad i form av värme, kan supraledare leda elektricitet utan energiförluster. Därför lyfts supraledare fram som en lovande lösning och som en del av att få bukt på den globala uppvärmningen – med potential att göra elnät, elektronik och kvantteknologier upp till hundra gånger mer energieffektiva.
Tekniken har dock länge begränsats av två centrala utmaningar: behovet av extremt låga temperaturer (omkring –200 grader C) och dess känslighet för starka magnetfält. Dessa hinder har gjort det svårt att använda supraledare i praktiska tillämpningar utanför laboratoriemiljöer.
Nu presenterar Chalmersforskare ett nytt angreppssätt. I stället för att förändra materialets kemiska sammansättning har teamet fokuserat på att manipulera ytan på det substrat där det supraledande materialet växer.
– Genom att i stället skulptera om den yta som supraledaren ligger på kunde vi framkalla supraledning vid betydligt högre temperaturer än vad som tidigare varit möjligt. Vi kunde också se att materialet fortsatte vara supraledande även när det utsattes för starka magnetfält, säger Floriana Lombardi, professor i kvantkomponentfysik på Chalmers.
Forskarna arbetade med ultratunna filmer av ett kopparoxid-baserat ämne, så kallade kuprater, som endast är några nanometer tjocka. Genom att förbehandla substratet i vakuum samt vid hög temperatur skapades ett mönster av små “berg och dalar” på substratets yta – på nanonivå – vilket stabiliserade och stärkte det supraledande tillståndet.
Denna struktur gav upphov till ett stabiliserande elektroniskt “landskap” i gränsskiktet mellan materialen. När detta landskap justerades kunde forskarna påverka de supraledande egenskaperna och se till att de klarade högre temperaturer och starka magnetfält.
Studien, som publicerats i Nature Communications, introducerar därmed en ny designprincip för utvecklingen av framtida supraledare. Resultaten öppnar upp för tillämpningar inom energieffektiv elektronik, avancerade kvantkomponenter och teknik som kräver starka magnetfält.
– Små förändringar på nanonivå kan få avgörande effekter, och frigöra supraledningens potential i framtidens elektronik, säger Floriana Lombardi.
Forskarna hoppas nu att metoden ska bidra till att supraledning kan användas vid betydligt högre temperaturer – i förlängningen kanske nära rumstemperatur – vilket skulle vara ett avgörande steg mot kommersiella tillämpningar.