超級計算機沒有廢熱?可能嗎?

時間:2018-12-10

一般來說磁性和無損電流流動(“超導性”)是相互競爭的現象,不能在同一樣品中共存。然而對於建造超級計算機來說,兩種狀態的協同結合與當今的半導體技術相比具有很大的優勢,其特點是功耗大、產熱大。康斯坦茲大學物理系的研究人員已經證明,磁編碼信息的無損電子傳輸是可能的。這一發現提高了集成電路芯片的存儲密度,並顯著降低了計算中心的能源消耗。這項研究的結果已經發表在最新一期《自然通訊》上。半導體技術的微型化正接近其物理極限。70多年來,計算機中的信息處理一直是通過產生和傳輸電信號來實現的,電信號釋放熱量廢物。熱量散失導致構件的溫度升高,而這又需要複雜的冷卻系統。

超級計算機沒有廢熱?可能嗎?

博科園-科學科普:熱管理是微型化的一大挑戰,因此目前全世界都在努力減少數據處理和電信方面的廢熱。由Elke Scheer教授領導的實驗物理小組和Wolfgang Belzig教授領導的理論物理小組在康斯坦茨大學的合作使用了一種基於超導構建塊中無耗散電荷傳輸的方法。磁性材料常用於信息存儲。理論上,利用電子自旋而不是電荷,磁性編碼的信息也可以在不產生熱量的情況下傳輸。將超導的無損電荷輸運與磁信息的電子輸運相結合,即自旋電子學為未來節能信息技術的基本新功能鋪平了道路。康斯坦茨大學(University of Konstanz)的研究人員已經解決了與這種方法相關的一個重大挑戰:在傳統超導體中,電流是由磁矩相反的電子對攜帶的。

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掃描隧道顯微鏡安裝在氦冷卻裝置從下面看到(與樣品階段移除)。顯微鏡尖端在樣品表面以上的定位機制是可見的(圖像中心)。圖片:Simon Diesch

因此這些對是非磁性的,不能攜帶磁性信息。相反,磁態是由相互平行排列的磁矩形成的,從而抑制超導電流。埃爾克•希爾(Elke Scheer)說:超導與自旋電子學的結合(自旋電子學傳遞磁性信息,不產生熱量)與任何基本物理概念並不矛盾,只是對材料本質的天真假設。最近的研究結果表明,通過使超導體接觸特殊的磁性材料,具有平行自旋的電子可以與通過磁鐵攜帶超導體的電子對綁定在一起,使超導體在更遠的距離上運行,這一概念可能使具有革命性的新電子設備成為可能。在Elke Scheer的指導下,Simon Diesch博士進行了一個實驗,闡明瞭這種具有平行自旋方向的電子對的產生機制。Simon Diesch說:我們證明了創造和檢測這些自旋排列的電子對是可能的

超級計算機沒有廢熱?可能嗎?

系統的設計和測量結果的解釋依賴於Peter Machon博士在理論物理學領域的博士論文,該論文是在Wolfgang Belzig的指導下進行的。重要的是找到能使這種排列整齊的電子對成為可能的材料。因此,項目不僅是一個物理學項目,也是一個材料科學項目。卡爾斯魯厄理工學院(KIT)的研究人員提供了由鋁和硫化銪組成的特製樣品。鋁是一種研究非常深入的超導體,能夠在理論和實驗之間進行定量比較。硫化銪是一種鐵磁絕緣體,這是實現理論概念的一種重要材料特性,它甚至在這裡使用的只有幾納米厚的極薄層中也能保持其磁性。利用康斯坦茨大學研製的掃描隧道顯微鏡,在低溫下對鋁-銪硫化物樣品的電荷輸運進行了空間和能量分辨率的測量。

超級計算機沒有廢熱?可能嗎?

與商業儀器不同的是,舍爾實驗室的掃描隧道顯微鏡經過了優化,以獲得最高的能量分辨率,並能在不同的磁場中工作。樣品中電荷輸運的電壓依賴性指示了電子對的能量分佈,並能準確地測定超導態的組成。為此貝爾齊格小組先前提出了一種理論,用於描述鋁-歐洲硫化物界面。這個理論將使研究人員能夠在未來描述更復雜的電路和樣本。理論預測的能譜與實驗結果一致,為磁電子對的研究提供了直接證據。此外,實驗與理論的合作解決了現有的解釋這類光譜的矛盾。利用這些結果,康斯坦茲大學的物理學家們希望揭示超導自旋電子學在增強或替代半導體技術方面的巨大潛力。

博科園-科學科普|研究/來自:康斯坦茨大學

參考期刊文獻:《Nature Communications》

​DOI: 10.1038/s41467-018-07597-w

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