การศึกษาแสดงให้เห็นการเปิดและปิดตัวนำยิ่งยวดได้อย่างไร
ตัวนำยิ่งยวดเป็นวัสดุที่สามารถเข้าสู่สภาวะที่ไม่มีความต้านทานไฟฟ้าซึ่งสนามแม่เหล็กไม่สามารถทะลุผ่านได้
เนื่องจากคุณสมบัติที่น่าสนใจ นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรด้านวัสดุจำนวนมากจึงได้สำรวจศักยภาพของวัสดุเหล่านี้สำหรับการใช้งานด้านอิเล็กทรอนิกส์ที่หลากหลาย
ข้อได้เปรียบที่สำคัญของตัวนำยิ่งยวดคือสามารถส่งสัญญาณไฟฟ้าในขณะที่ป้องกันการกระจาย ซึ่งมีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัม อย่างไรก็ตาม การควบคุมสถานะของพวกเขา เช่นเดียวกับเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ ได้พิสูจน์แล้วว่าเป็นสิ่งที่ท้าทาย
บทความแนะนำ : Tesla ยืนยัน Autopilot และ Full Self-Driving ปลอดภัย
เมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีการศึกษาที่เสนอแนะว่าสามารถเปิดและปิดสภาพตัวนำยิ่งยวดของวัสดุตัวนำยิ่งยวดได้ นักวิจัยจาก IBM Research ในซูริกกำลังตรวจสอบผลลัพธ์เหล่านี้เพิ่มเติม โดยหวังว่าจะได้อธิบายกลไกการเปลี่ยนที่เปิดเผยโดยการศึกษาครั้งก่อนนี้ ผลการวิจัยของพวกเขาเพิ่งได้รับการสรุปในบทความที่ตีพิมพ์ในNature Electronics
Andreas Fuhrer และ Fabrizio Nichele นักวิจัยสองคนที่ทำการศึกษากล่าวว่า “ตัวนำยิ่งยวดคือโลหะและโลหะกรองสนามไฟฟ้าภายนอกได้อย่างมีประสิทธิภาพมาก” “แนวคิดพื้นฐานนี้ ซึ่งพบในตำราฟิสิกส์ทั้งหมด ถูกตั้งคำถามโดยสิ่งพิมพ์ปี 2018ในงานนั้น ผู้เขียนอ้างว่าได้เปิดและปิดตัวนำยิ่งยวดในลวดนาโนไททาเนียมผ่านสนามไฟฟ้าปานกลางที่ใช้โดยอิเล็กโทรดประตูใกล้เคียง ”
หากได้รับการยืนยัน การค้นพบที่รวบรวมในปี 2018 โดย NEST และ SPIN-CNR ในอิตาลีจะช่วยให้สามารถพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และ อุปกรณ์ คอมพิวเตอร์ควอนตัม ชนิดใหม่ทั้งหมดโดย ใช้ตัวนำยิ่งยวด เมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา พวกเขาจึงตั้งใจที่จะเปิดเผยกลไกทางกายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์ที่เกิดขึ้นในตัวนำยิ่งยวดขนาดนาโนเมตรเมื่อมีสนามไฟฟ้า
ในบทความฉบับแรกที่ตีพิมพ์ในปี พ.ศ. 2564 นักวิจัยได้สรุปคำแนะนำเบื้องต้นเกี่ยวกับต้นกำเนิดที่เป็นไปได้ของตัวนำยิ่งยวดที่ถูกระงับไว้ในสายนาโนไททาเนียม การศึกษาใหม่ของพวกเขาสร้างขึ้นจากบทความนี้ โดยมีคำอธิบายโดยละเอียดเพิ่มเติมสำหรับข้อค้นพบที่รวบรวมโดยทีมงานที่ NEST และ SPIN-CNR
“งานก่อนหน้านี้ของเราแสดงให้เห็นว่าการปราบปรามของตัวนำยิ่งยวดมักจะไปพร้อมกับกระแสรั่วไหลขนาดเล็กที่ไหลจากอิเล็กโทรดประตูไปยังสายนาโน” Fuhrer และ Nichele อธิบาย “กระแสดังกล่าวมีขนาดเล็กมาก (ไม่กี่ pA หรือ 0.000,000,000,001 แอมแปร์) ดังนั้นพวกเขาจึงอาจไม่มีใครสังเกตเห็นในงานก่อนหน้านี้ สำหรับเรา มีเหตุผลที่จะสันนิษฐานว่ากระแสดังกล่าวจะมีหน้าที่ในการทำลายความเป็นตัวนำยิ่งยวดเช่นพลังงาน ของอิเล็กตรอนแต่ละตัวที่ไหลผ่านกระแสมีขนาดค่อนข้างใหญ่ (ประมาณ 100,000 ใหญ่กว่าพลังงานยึดเหนี่ยวที่ทำให้อิเล็กตรอนอยู่ในโลหะในสถานะตัวนำยิ่งยวด)”
ในขณะที่การศึกษาก่อนหน้านี้ของพวกเขาอนุญาตให้ Fuhrer, Nichele และเพื่อนร่วมงานของพวกเขาได้รับความรู้สึกของกลไกที่เป็นไปได้ที่สนับสนุนการปราบปรามของตัวนำยิ่งยวดที่สังเกตได้ แต่ก็ยังขาดส่วนผสมสำคัญจำนวนหนึ่ง เป้าหมายหลักของบทความล่าสุดคือการนำเสนอคำอธิบายที่ชัดเจนและน่าพอใจสำหรับปรากฏการณ์นี้
Fuhrer และ Nichele กล่าวว่า “การทดลองใหม่ของเราสอดคล้องกับงานแรกของเราโดยสิ้นเชิง ในแง่ที่ว่าเราแสดงให้เห็นอีกครั้งว่ากระแสไฟฟ้าที่รั่วไหลจากประตู (ไม่ใช่สนามไฟฟ้า) จำเป็นต่อการปราบปรามความเป็นตัวนำยิ่งยวดในลวดนาโนโลหะ “อย่างไรก็ตาม ตอนนี้เรายังแสดงให้เห็นด้วยว่ากระแสไม่จำเป็นต้องไหลจากเกตไปยังสายนาโนอย่างจำเป็น”
อุปกรณ์ที่คล้ายกับที่แสดงด้านบน แต่มีร่องลึก 500 นาโนเมตรในพื้นผิว ร่องลึกป้องกันสายนาโนจากโฟนอน เครดิต: IBM, Ritter et al (2022)นักวิจัยได้ผลลัพธ์ที่คล้ายคลึงกันเมื่อกระแสของอิเล็กตรอนพลังงานสูงไหลออกจากเส้นลวดและเมื่อมันไหลระหว่างอิเล็กโทรดสองขั้วที่วางอยู่ใกล้เส้นนาโน ผลลัพธ์เหล่านี้เน้นถึงบทบาทที่สำคัญของซับสเตรตของวัสดุในการปราบปรามของตัวนำยิ่งยวด
อุปกรณ์ที่นักวิจัยใช้ในการทดลองใช้แผ่นเวเฟอร์ซิลิกอนผลึก นี่คือสารตั้งต้นที่กระแสของอิเล็กตรอนพลังงานสูงไหลเมื่อใช้ไฟฟ้าแรงสูงระหว่างอิเล็กโทรด
Fuhrer และ Nicheleอธิบาย”ในขณะที่อิเล็กตรอนเร่งเป็นพลังงานสูงโดยแรงดันไฟฟ้าขนาดใหญ่ เคลื่อนตัวในซิลิคอน พวกมันจะเตะอะตอมของซิลิคอนอย่างต่อเนื่อง โดยถ่ายเทพลังงานของพวกมันไปสู่การสั่นสะเทือนในโครงผลึกคริสตัล (สิ่งที่นักฟิสิกส์เรียกว่า ‘ โฟนอน ‘) “แตกต่างจากอิเล็กตรอน phonons เดินทางเป็นระยะทางไกลมากในโครงตาข่ายซิลิกอน (หลายไมโครเมตร) และสามารถรบกวนสถานะตัวนำยิ่งยวดในลวดนาโนโลหะได้อย่างง่ายดาย”
งานล่าสุดของ Fuhrer, Nichele และเพื่อนร่วมงานแสดงให้เห็นว่า โฟตอนทำหน้าที่เป็นสื่อกลางในทางตรงกันข้ามกับโฟตอน จากการค้นพบนี้ ทีมงานได้สร้างอุปกรณ์สวิตชิ่งที่ประกอบด้วยร่องลึกที่ฝังอยู่ในพื้นผิวซิลิกอน
Fuhrer และ Nichele กล่าวว่า “ร่องลึกนี้สะท้อนถึง phonons ที่สร้างขึ้นที่ด้านหนึ่งและป้องกัน nanowire ซึ่งยังคงอยู่ในสถานะตัวนำยิ่งยวดอีกต่อไป” Fuhrer และ Nichele กล่าว “การสั่นสะเทือนมักปรากฏอยู่ในคริสตัล ยิ่งอุณหภูมิสูงเท่าไหร่คริสตัลก็ยิ่งสั่นมากขึ้นเท่านั้น อย่างไรก็ตาม โฟตอนที่เราผลิตในอุปกรณ์ของเรามีพลังงานที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงจากอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น”
เมื่อนักวิจัยทำการทดลองที่อุณหภูมิต่ำกว่า 4 เคลวิน พวกเขาพบว่าโฟตอนที่ผลิตขึ้นนั้นมีอุณหภูมิที่สูงกว่า 100 เคลวิน การค้นพบนี้อธิบายว่าทำไมอุปกรณ์สวิตช์แบบเดียวกับที่พัฒนาขึ้นจึงมีความต้องการพลังงานต่ำมาก เมื่อเทียบกับสวิตช์ทั่วไป
โดยรวมแล้ว งานล่าสุดของ Fuhrer, Nichele และเพื่อนร่วมงานของพวกเขาที่ IBM Research เสนอคำอธิบายที่สอดคล้องกันและน่าเชื่อถือสำหรับผลการทดลองที่เผยแพร่โดยทีมงานที่ NEST และ SPIN-CNR ในปี 2018 ซึ่งก่อนหน้านี้ไม่ได้อธิบายไว้ ในอนาคต คำอธิบายของตัวนำยิ่งยวดสามารถช่วยให้เข้าใจตัวนำยิ่งยวดมากขึ้น ซึ่งอาจช่วยให้สามารถใช้สำหรับการพัฒนาอุปกรณ์ประเภทใหม่ได้
“การศึกษาของเรายังก่อให้เกิดอุปกรณ์ตัวนำยิ่งยวดรุ่นใหม่ที่สามารถเปลี่ยนองค์ประกอบโลหะจากตัวนำยิ่งยวดเป็นตัวต้านทานได้อย่างรวดเร็วและประหยัดพลังงาน” Fuhrer และ Nichele กล่าว “สิ่งนี้อาจพบการประยุกต์ใช้ทันทีในด้านการคำนวณควอนตัมเช่นในพื้นที่ที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมที่เชื่อมต่อควอนตัมบิตกับคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก”
ในบทความของพวกเขา Fuhrer, Nichele และเพื่อนร่วมงานได้แนะนำแนวทางในการสร้างอิเล็กตรอนและโฟตอนที่มีพลังงานสูงตามความต้องการ อนุภาคพลังงานสูง เช่น รังสีคอสมิกที่พุ่งชนโลกจากอวกาศ เป็นที่ทราบกันว่าส่งผลเสียต่อการทำงานของคอมพิวเตอร์ควอนตัม ดังนั้นในอนาคต แนวทางดังกล่าวจึงสามารถนำมาใช้เพื่อศึกษาผลกระทบของการกระตุ้นด้วยพลังงานสูงต่อเทคโนโลยีควอนตัมต่อไปได้
“กิจกรรมหลักของเราคือการสร้างควอนตัมบิต” กล่าวเสริม “ในเอกสารฉบับหน้าของเรา เราต้องการรวมองค์ประกอบการสลับของเรากับ qubit และตรวจสอบว่าสามารถวางสวิตช์ได้ใกล้แค่ไหนเพื่อให้มีการแนะนำฟังก์ชันการทำงานใหม่โดยไม่มีข้อเสียที่เกี่ยวข้องกับฟอนอน”
อ่านบทความอื่น ๆ ได้ที่ : acupunctureassociatesmaine.com
