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超级计算机没有废热

一般而言,磁性和无电流的电流(“超导”)是在同一样品中不能共存的竞争现象。然而,对于构建超级计算机而言,与当今的半导体技术相比,协同地结合两种状态具有主要优势,由于其高功耗和产生的热量,该半导体技术已经承受压力。康斯坦茨大学物理系的研究人员现已证明,磁编码信息的无损电传输是可能的。这一发现可以提高集成电路芯片的存储密度,同时显着降低计算中心的能耗。这项研究的结果已发表在最新一期的科学期刊上自然通讯。

半导体技术的小型化正在接近其物理极限。70多年来,计算机中的信息处理已经通过创建和传输电信号来实现,电信号需要能量然后作为热量释放。这种耗散导致构件中的温度升高,这反过来又需要复杂的冷却系统。热管理是小型化的重大挑战之一。因此,目前全世界都在努力减少数据处理和电信中的废热。

康斯坦茨大学在Elke Scheer教授和由Wolfgang Belzig教授领导的理论物理小组领导的实验物理小组之间的合作采用了一种基于超导构造模块中无耗散电荷传输的方法。磁性材料通常用于信息存储。原则上,磁性编码信息也可以通过使用电子的磁性质(电子自旋)在没有产生热量的情况下传输。将超导电性的无损电荷传输与磁信息的电子传输相结合 - 即“自旋电子学” - 为未来节能信息技术的基本新颖功能铺平了道路。

康斯坦茨大学的研究人员解决了与这种方法相关的一个主要挑战:在传统超导体中,电流由具有相反磁矩的电子对携带。因此,这些对是非磁性的并且不能携带磁信息。相反,磁性状态由彼此平行排列的磁矩形成,从而抑制超导电流。

“将没有发热的超导电子与自旋电子学相结合,传递磁信息,与任何基本的物理概念并不矛盾,而只是对材料性质的天真假设,”Elke Scheer说。最近的研究结果表明,通过使超导体与特殊磁性材料接触,具有平行自旋的电子可以通过磁体与长距离携带超电流的对结合。该概念可以使具有革命性质的新型电子设备成为可能。

在Elke Scheer的监督下,Simon Diesch博士进行了一项实验,阐明了这种具有平行自旋方向的电子对的产生机制。“我们发现可以创建和检测这些自旋对齐的电子对,”Simon Diesch解释说。系统的设计和测量结果的解释依赖于Peter Machon博士在Wolfgang Belzig监督下进行的理论物理学领域的博士论文。

“重要的是找到能够实现这种对齐电子对的材料。因此,我们不仅仅是物理学而且是材料科学项目,”Elke Scheer评论道。卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的研究人员提供了由铝和硫化铕组成的定制样品。铝是一种研究得很好的超导体,能够在理论和实验之间进行定量比较。铕(Euopiumsulfide)是一种铁磁绝缘体,是实现理论概念的重要材料特性,即使在这里使用的厚度仅为几纳米的非常薄的层中也能保持其磁性。使用康斯坦茨大学开发的扫描隧道显微镜,在低温下进行空间和能量分辨的铝 - 铕硫化物样品的电荷传输测量。与商用仪器相反,位于Scheer实验室的扫描隧道显微镜已针对极限能量分辨率和在不同磁场中的操作进行了优化。

通过样品的电荷传输的电压依赖性表示电子对的能量分布,并允许精确确定超导状态的组成。为此,应用了贝尔齐格集团先前开发并用于描述铝 - 铕硫化物界面的理论。该理论将使研究人员能够在将来描述更复杂的电路和样品。理论预测的能谱与实验结果一致,提供了磁电子对的直接证据。

此外,实验 - 理论合作解决了现有的关于这种光谱解释的矛盾。根据这些结果,康斯坦茨大学的物理学家希望揭示超导自旋电子学在增强或取代半导体技术方面的巨大潜力。

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