Οι επιστήμονες ενδέχεται να εντόπισαν έναν πολυαναζητούμενο υπεραγωγό τριπλής κατάστασης (triplet superconductor) — ένα υλικό που μπορεί να μεταδίδει τόσο τον ηλεκτρισμό όσο και το σπιν των ηλεκτρονίων με μηδενική αντίσταση.
Αυτή η ικανότητα θα μπορούσε να σταθεροποιήσει θεαματικά τους κβαντικούς υπολογιστές, μειώνοντας παράλληλα δραστικά την κατανάλωση ενέργειας. Τα πρώτα πειράματα δείχνουν ότι το κράμα NbRe (Νιόβιο-Ρήνιο) συμπεριφέρεται διαφορετικά από οποιονδήποτε συμβατικό υπεραγωγό. Εάν επαληθευτεί, θα μπορούσε να αποτελέσει τον ακρογωνιαίο λίθο της επόμενης γενιάς κβαντικής και σπιντρονικής (spintronic) τεχνολογίας.
Το «Άγιο Δισκοπότηρο» των κβαντικών υπολογιστών
Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι οι λεγόμενοι υπεραγωγοί τριπλής κατάστασης (triplet superconductors) θα μπορούσαν να ανοίξουν την πόρτα στις πιο ενεργειακά αποδοτικές τεχνολογίες που έχουν αναπτυχθεί ποτέ.
«Ένας υπεραγωγός τριπλής κατάστασης βρίσκεται ψηλά στη λίστα επιθυμιών πολλών φυσικών που εργάζονται στον τομέα της φυσικής στερεάς κατάστασης», δήλωσε ο καθηγητής Jacob Linder.
Ο Linder είναι φυσικός στο Τμήμα Φυσικής του Νορβηγικού Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας (NTNU), όπου εργάζεται στο QuSpin — ένα ερευνητικό κέντρο που συγκεντρώνει μερικούς από τους κορυφαίους ερευνητές του πανεπιστημίου.
«Υλικά που αποτελούν υπεραγωγούς τριπλής κατάστασης είναι ένα είδος ‘Αγίου Δισκοπότηρου’ στην κβαντική τεχνολογία, και πιο συγκεκριμένα στην κβαντική υπολογιστική», εξήγησε ο Linder.
Ερευνητές σε όλο τον κόσμο ανυπομονούν να επιβεβαιώσουν την ύπαρξη τέτοιων υλικών. Τώρα, ο Linder και η ομάδα του πιστεύουν ότι μπορεί να πλησιάζουν. «Πιστεύουμε ότι ίσως έχουμε παρατηρήσει έναν υπεραγωγό τριπλής κατάστασης», δήλωσε ο καθηγητής Linder. Εάν επαληθευτεί, το εύρημα αυτό θα αποτελούσε ένα σημαντικό βήμα προόδου για την κβαντική επιστήμη.
Σταθεροποίηση της κβαντικής τεχνολογίας μέσω του Spin
Η έρευνα του Linder επικεντρώνεται στα κβαντικά υλικά και την πιθανή χρήση τους στη σπιντρονική (spintronics) και σε προηγμένες κβαντικές συσκευές. Η σπιντρονική βασίζεται στο σπιν, μια θεμελιώδη ιδιότητα των ηλεκτρονίων, για τη μεταφορά και την επεξεργασία πληροφοριών με τρόπους που διαφέρουν από τη σημερινή συμβατική ηλεκτρονική.
Το σπιν μπορεί επίσης να διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στην κβαντική τεχνολογία, ειδικά όταν συνδυάζεται με υπεραγωγούς. Ωστόσο, ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια υπήρξε η αστάθεια.
«Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στην κβαντική τεχνολογία σήμερα είναι να βρεθεί ένας τρόπος εκτέλεσης υπολογιστικών λειτουργιών με επαρκή ακρίβεια», εξήγησε ο Linder. Οι υπεραγωγοί τριπλής κατάστασης θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην επίλυση αυτού του προβλήματος.
Σε συνεργασία με ερευνητές από την Ιταλία που πραγματοποίησαν το πειραματικό μέρος, ο Linder συνυπέγραψε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Physical Review Letters.
Το άρθρο επιλέχθηκε ως μία από τις προτάσεις των συντακτών (editor’s recommendations) του περιοδικού. «Οι υπεραγωγοί τριπλής κατάστασης καθιστούν δυνατή μια σειρά από ασυνήθιστα φυσικά φαινόμενα. Αυτά τα φαινόμενα έχουν σημαντικές εφαρμογές στην κβαντική τεχνολογία και τη σπιντρονική», δήλωσε ο Linder.
Συμβατικοί vs Υπεραγωγοί τριπλής κατάστασης
Οι παραδοσιακοί υπεραγωγοί επιτρέπουν στον ηλεκτρισμό να ρέει χωρίς μετρήσιμη αντίσταση. Σε πρακτικούς όρους, αυτό σημαίνει ότι το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να κινηθεί χωρίς να χάνει ενέργεια υπό μορφή θερμότητας. Αν και είναι εξαιρετικά χρήσιμοι, οι συμβατικοί υπεραγωγοί έχουν περιορισμούς.
Οι συμβατικοί υπεραγωγοί είναι γνωστοί ως “υπεραγωγοί απλής κατάστασης” (singlet superconductors). Με απλά λόγια, αυτό σημαίνει ότι τα υπεραγώγιμα σωματίδια δεν μεταφέρουν σπιν.
Οι υπεραγωγοί τριπλής κατάστασης διαφέρουν επειδή τα υπεραγώγιμα σωματίδια τους μεταφέρουν σπιν. Γιατί λοιπόν έχει αυτό σημασία;
«Το γεγονός ότι οι υπεραγωγοί τριπλής κατάστασης διαθέτουν σπιν έχει μια σημαντική συνέπεια. Μπορούμε πλέον να μεταφέρουμε όχι μόνο ηλεκτρικά ρεύματα αλλά και ρεύματα σπιν με απολύτως μηδενική αντίσταση», εξήγησε ο Linder.
Αυτή η ικανότητα θα μπορούσε να καταστήσει εφικτή τη μετάδοση πληροφοριών μέσω του σπιν χωρίς καμία απώλεια ενέργειας. Κατ’ επέκταση, εξαιρετικά ταχείς υπολογιστές θα μπορούσαν να λειτουργούν καταναλώνοντας σχεδόν καθόλου ηλεκτρισμό.
Το κράμα NbRe και τα ελπιδοφόρα αποτελέσματα
«Στο δημοσιευμένο άρθρο μας, αποδεικνύουμε ότι το υλικό NbRe παρουσιάζει ιδιότητες που συνάδουν με την υπεραγωγιμότητα τριπλής κατάστασης», δήλωσε ο Linder. Το NbRe είναι ένα κράμα νιοβίου-ρηνίου, και τα δύο αυτά στοιχεία είναι σπάνια μέταλλα.
«Είναι ακόμα πολύ νωρίς για να συμπεράνουμε οριστικά εάν το υλικό είναι υπεραγωγός τριπλής κατάστασης. Μεταξύ άλλων, το εύρημα πρέπει να επαληθευτεί και από άλλες πειραματικές ομάδες. Είναι επίσης απαραίτητο να διεξαχθούν περαιτέρω δοκιμές υπεραγωγιμότητας τριπλής κατάστασης», εξήγησε ο Linder.
Ακόμα κι έτσι, τα αποτελέσματα είναι ενθαρρυντικά. «Η πειραματική μας έρευνα καταδεικνύει ότι το υλικό συμπεριφέρεται εντελώς διαφορετικά από αυτό που θα περιμέναμε από έναν συμβατικό υπεραγωγό απλής κατάστασης (singlet)», πρόσθεσε ο Linder.
Προς μια νέα εποχή ενεργειακής απόδοσης
«Ένα άλλο πλεονέκτημα αυτού του υλικού είναι ότι παρουσιάζει υπεραγωγιμότητα σε σχετικά υψηλή θερμοκρασία», δήλωσε ο Linder, αν και το τι θεωρείται υψηλή θερμοκρασία σε αυτόν τον τομέα μπορεί να ακούγεται αναπάντεχο.
Εδώ, ο όρος “υψηλή θερμοκρασία” αναφέρεται στους 7 Κέλβιν (K), δηλαδή λίγο πάνω από το απόλυτο μηδέν των -273,15 βαθμών Κελσίου. Στον κόσμο της υπεραγωγιμότητας, αυτή η θερμοκρασία θεωρείται συγκριτικά θερμή.
Άλλοι υποψήφιοι υπεραγωγοί τριπλής κατάστασης απαιτούν θερμοκρασίες κοντά στον 1K, γεγονός που καθιστά τους 7K πολύ πιο πρακτικούς και εφικτούς.
