Framsteg inom supraledning banar väg för extremt energisnål elektronik

https://mb.cision.com/Public/5569/4319224/bfe38e76634ad2d7_800x800ar.jpg

Supraledande material kan spela en nyckelroll i framtidens energisnåla elektronik, men än så länge står en rad tekniska utmaningar i vägen för praktiska tillämpningar. Nu har forskare vid Chalmers tagit fram en materialdesign som löser ett stort problem på området: att få supraledning att fungera i högre temperaturer och samtidigt stå pall mot starka magnetfält. Genombrottet kan bana väg för betydligt mer energieffektiv elektronik och kvantteknologi. 

Idag står digitala enheter, datacenter och informations- och kommunikationstekniska nätverk (IKT) för ungefär 6 till 12 procent av den globala elanvändningen. Behovet av mer energieffektiv elektronik är därför stort – och växande. Här har supraledande material seglat upp som en lovande lösning. Till skillnad från dagens elektronik, där energi går förlorad i form av värme, har supraledande material förmågan att leda elektricitet helt utan energiförluster. Supraledare har på så vis potential att göra elnät, elektronik och kvantteknologier hundra gånger mer energieffektiva.

Men vägen till praktiska tillämpningar hindras än så länge av en rad utmaningar. En svårighet är att supraledande tillstånd ofta kräver extremt låga temperaturer, ner mot minus 200 grader Celsius, där nedkylningsprocessen är både komplex och strömkrävande. En annan stor utmaning är att supraledning kan försvagas eller till och med upphöra i starka magnetfält. Detta utgör en kritisk begränsning, eftersom magnetfält är vanligt förekommande i avancerade elektroniska komponenter och dessutom är centrala i många kvantteknologier.

För att tekniken ska kunna användas utanför laboratorier behövs därför material som både klarar att bibehålla supraledning i högre temperaturer, helst nära rumstemperatur, och som dessutom är motståndskraftiga mot magnetfält.

Nytt angreppssätt gav robust supraledning

I jakten på den här typen av robusta supraledare har forskare inom fältet försökt förändra den kemiska sammansättningen i en rad olika material, med begränsad framgång. Nu har forskare vid Chalmers använt sig av ett annat tillvägagångsätt – och tagit ett viktigt steg i rätt riktning.   

– 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, förklarar Floriana Lombardi, professor i kvantkomponentfysik på Chalmers och försteförfattare till en studie som publicerats i Nature Communications.

Minimal detalj fick enorm effekt 

Chalmersforskarna använde ett kopparoxid-baserat ämne som tillhör materialfamiljen kuprater. Kuprater är välkända supraledare som fungerar i förhållandevis höga temperaturer, men de har en kemisk struktur som är svår att justera efter tillverkning. Den här typen av supraledande material är endast någon nanometer tjock, det vill säga tunnare än en miljondels hårstrå. För att kunna användas i elektronik i praktiken behöver sådana ultratunna filmer placeras på ett bärande underlag, ett så kallat substrat, som fungerar som en mall för tillväxten. Det var när Chalmersforskarna gjorde justeringar på nano-nivå på substratets yta som de fick sitt genombrott.  

– Eftersom atomer i substratet ligger i ett visst mönster kan det “styra” hur atomerna i det supraledande lagret lägger sig. När vi justerade formgivningen av underlaget kunde vi påverka de supraledande egenskaperna och se till att de bibehölls också vid högre temperaturer, och även när vi tillförde starka magnetfält, förklarar Erik Wahlberg, forskare vid Rise och medförfattare till studien.  

När forskarna förbehandlade substratet i vakuum och i hög temperatur bildades ett regelbundet mönster av små dalar och berg på ytan. Mönstret gav upphov till ett slags elektroniskt landskap i gränsskiktet mellan substratet och det supraledande materialet, som gynnade en starkare supraledning.   

– Vi kunde se hur elektronernas egenskaper började ordna sig i en viss riktning i det här gränslandet, och bete sig på ett sätt som stabiliserade och stärkte det supraledande tillståndet, säger Floriana Lombardi.  

Ny designprincip för framtidens supraledare

Genombrottet innebär att Chalmersforskarna introducerar en ny designprincip i utvecklingen av framtida, supraledande material som kan användas i betydligt högre temperaturer än idag, förhoppningsvis nära rumstemperatur.  

– I stället för att leta efter nya material eller manipulera de kemiska egenskaperna i befintliga material, visar vi nu hur man kan förstärka supraledning genom att skulptera underlaget, säger Floriana Lombardi.   

Resultaten öppnar för en praktisk tillämpning av supraledare i energieffektiv elektronik, nästa generations kvantkomponenter och teknik som kräver starka magnetfält.  

– Det här visar att små förändringar på nano-nivå kan få avgörande effekter, och till och med frigöra supraledningens potential i framtidens elektronik, säger Floriana Lombardi.  

Mer om studien

Boosting superconductivity in ultrathin YBa2Cu3O7−δ films via nanofaceted substrates har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Nature Communications. Studiens författare är Eric Wahlberg, Riccardo Arpaia, Debmalya Chakraborty, Alexei Kalaboukhov, David Vignolles, Cyril Proust, Annica M. Black-Schaffer, Thilo Bauch, Götz Seibold och Floriana Lombardi. Forskarna är verksamma vid Chalmers tekniska högskola, RISE Research Institutes of Sweden; Ca’ Foscari University of Venice, Italien; Birla Institute of Technology and Science, Birla Goa Campus, Indien; Indian Institute of Science Education and Research (IISER), Indien; Uppsala University, Uppsala, Sverige; Université Grenoble Alpes, Université de Toulouse, INSA-T, Frankrike; Institut für Physik, BTU Cottbus-Senftenberg, Tyskland.

Arbetet är delvis utfört i Chalmers renrum, Chalmers Myfab.

Forskningsprojektet har fått stöd från Vetenskapsrådet (VR), Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, EU:s EIC Pathfinder-program samt Deutsche Forschungsgemeinschaft.

För mer information, vänligen kontakta:

Floriana Lombardi, professor i kvantkomponentfysik, institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, Chalmers tekniska högskola: 031-772 33 18, floriana.lombardi@chalmers.se

Bildtext:
På bilden syns forskarnas skulpterade mönster av små berg och dalar – tunnare än en miljondels hårstrå – på substratet (MgO, nederst i bild) som styr hur atomerna i det supraledande materialet (YBCO, överst i bild) lägger sig. I gränssnittet mellan de två lagren uppstår ett elektroniskt landskap som möjliggör supraledning vid högre temperaturer än vad som tidigare varit möjligt, även när det färdiga materialet utsätts för starka magnetfält.  Bild: Chalmers tekniska högskola / Riccardo Arpaia