Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Tranzystory z supercienkich nadprzewodników?

Recommended Posts

Naukowcy z Brookhaven National Laboratory stworzyli supercienkie nadprzewodniki, które w przyszłości mogą posłużyć do produkcji bardzo wydajnych podzespołów elektronicznych. Fizyk Ivan Bozovic wraz z zespołem skonstruowali nadprzewodnik o grubości 1-2 nanometrów. Działa on w temperaturze -223 stopni Celsjusza, czyli dość wysokiej jak na tę klasę materiałów.

Nowy nadprzewodnik zbudowano łącząc ze sobą dwa materiały, z których żaden nie jest nadprzewodnikiem. Jednak miejsce ich styku ma w niskich temperaturach właściwości nadprzewodzące.

Zespół Bozovicajuż w 2002 roku zauważył, że jeśli połączymy dwie supercienkie warstwy nieidentycznych materiałów bazujących na miedzi, to stworzymy w ten sposób nadprzewodnik, który będzie działał w temperaturach wyższych o 25% od temperatury, w której materiały te osobno są nadprzewodnikami. Wówczas uczeni nie rozumieli natury tego zjawiska. W ramach dalszych badań stworzyli ponad 200 jedno-, dwu- i trójwarstwowych struktur, w których na wszelkie możliwe sposoby łączyli różnej grubości materiały izolujące, nadprzewodzące i metale.

Największym wyzwaniem było udowodnienie, że zjawisko nadprzewodnictwa nie pojawia się jako prosty wynik mieszania dwóch materiałów i powstania między nimi trzeciej warstwy o różnych właściwościach chemicznych i fizycznych - mówi Bozovic. Dowód taki przeprowadzili współpracujący z nim naukowcy z Cornell University, którzy pokazali, że obie użyte warstwy pozostały osobnymi strukturami.

Uczeni z Brookhaven twierdzą, że jest jeszcze zbyt wcześnie, by mówić o tym, gdzie nowe materiały mogą być zastosowane. Na pewno jednym z potencjalnych pól ich eksploatacji jest elektronika. Zapewne będzie możliwe stworzenie tranzystora, który za pomocą impulsu elektrycznego będzie przełączany pomiędzy stanem nadprzewodnika a opornika. Układy scalone stworzone z takich tranzystorów działałyby znacznie szybciej niż obecne, a jednocześnie zużywałyby mniej energii.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Fizycy z University of Rochester poinformowali o stworzeniu pierwszego w historii nadprzewodnika działającego w temperaturze pokojowej. Uzyskany przez nich związek wodoru, węgla i siarki wykazuje właściwości nadprzewodzące w temperaturze dochodzącej do 15 stopni Celsjusza. Po raz pierwszy w historii można rzeczywiście stwierdzić, że osiągnięto nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej, mówi Ion Errea z Uniwersytetu Kraju Basków, fizyk-teoretyk zajmujący się materią skondensowaną. Wyniki badań opublikowano na łamach Nature.
      Naukowcy od dawna poszukują nadprzewodników działających w temperaturze pokojowej. Materiały takie zrewolucjonizowałyby wiele dziedzin życia. Pozwoliłyby na bezstratne przesyłanie energii liniami wysokiego napięcia, budowę lewitujących pociągów wielkich prędkości czy stworzenie znacznie bardziej wydajnych komputerów. Niestety, opracowany przez Amerykanów materiał nigdy nie posłuży do stworzenia wspomnianych urządzeń, gdyż wykazuje właściwości nadprzewodzące przy ciśnieniu sięgającym 75% ciśnienia panującego w ziemskim jądrze.
      Ludzie od dawna marzą o nadprzewodnikach. Dlatego też mogą nie docenić tego, co zostało osiągnięte, gdyż potrzebujemy do tego wysokich ciśnień, mówi Chris Pickard z University of Cambridge.
      Teraz, gdy udowodniono, że nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej jest możliwe, należy jeszcze znaleźć materiał, który będzie nadprzewodnikiem przy ciśnieniu atmosferycznym. Na szczęście niektóre cechy nowego związku sugerują, że możliwe będzie znalezienie odpowiedniego materiału.
      Opór elektryczny to zjawisko, które ma miejsce, gdy przemieszczające się elektrony zderzają się z atomami metalu, w którym podróżują. W 1911 roku odkryto, że w niskich temperaturach elektrony wywołują drgania w sieci atomowej metallu, a w wyniku tych drgań elektrony łączą się w pary Coopera. Różne prawa fizyki kwantowej powodują, że pary takie przemieszczają się przez sieć krystaliczną metalu, nie napotykając na żaden opór. Jakby jeszcze tego było mało, tworzą one „nadprzewodzący płyn”, który posiada silne pole magnetyczne, pozwalające np. na osiągnięcie magnetycznej lewitacji nad nadprzewodzącymi szynami kolejowymi.
      W 1968 Neil Ashcroft z Cornell University stwierdził, że w osiągnięciu nadprzewodnictwa powinny pomóc atomy wodoru. Co prawda potrzeba jest niezwykle wysokich ciśnień, by uzyskać sieć krystaliczną wodoru, jednak praca Ashcrofta dawała nadzieję, że uda się znaleźć taki związek wodoru, dzięki któremu będzie to możliwe przy niższych ciśnieniach.
      Szybkich postępów zaczęto dokonywać w XXI wieku, kiedy to z jednej strony pojawiły się potężniejsze komputery, pozwalające na przeprowadzanie teoretycznych obliczeń i warunków, jakie powinny być spełnione, by osiągnąć nadprzewodnictwo, z drugiej zaś rozpowszechniło się użycie kompaktowych komór diamentowych, pozwalających na osiąganie bardzo wysokich ciśnień.
      Badania tego typu są bardzo kosztowne, o czym świadczy chociażby przykład z Rochester. Zespół naukowy, który pochwalił się osiągnięciem nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej, posiłkował się obliczeniami i intuicją. Podczas prac testowano wiele związków wodoru, z różną zawartością wodoru. Konieczne było bowiem znalezienie odpowiednich proporcji tego pierwiastka.
      Jeśli będziemy mieli zbyt mało wodoru, nie uzyskamy dobrego nadprzewodnika. Jeśli będzie go zbyt dużo, to formę metaliczną przybierze on przy ciśnieniach, które niszczą diamentowe ostrza komory. W czasie swoich badań uczeni zniszczyli dziesiątki par takich ostrzy, z których każda kosztuje 3000 USD. Budżet na diamenty to największy problem, przyznaje Ranga Dias, szef zespołu badawczego.
      Dzisiejszy sukces był możliwy dzięki wykorzystaniu osiągnięć niemieckich naukowców, którzy w 2015 roku uzyskali nadprzewodzący siarkowodór w temperaturze -70 stopni Celsjusza. Amerykanie również rozpoczęli swoją pracę od siarkowodoru. Dodali do niego metan, a całość przypiekli laserem. Byliśmy w stanie wzbogacić całość i wprowadzić do systemu odpowiednią ilość wodoru, by utrzymać pary Coopera w wysokich temperaturach, wyjasnia Ashkan Salamat.
      Naukowcy przyznają, że nie wiedzą dokładnie, jak wygląda ich materiał. Wodór jest zbyt mały, by było go widać w standardowym próbkowaniu struktury, nie wiadomo zatem, jak dokładnie wygląda sieć krystaliczna uzyskanego związku, ani nawet jaka jest jego dokładna formuła chemiczna. Uzyskane wyniki nie do końca zgadzają się też z wcześniejszymi teoretycznymi przewidywaniami. Niewykluczone, że wysokie ciśnienie w jakiś nieprzewidywalny sposób zmieniło badaną substancję, dzięki czemu udało się uzyskać tak dobre nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej.
      Obecnie Dias i jego grupa pracują nad dokładnym określeniem budowy swojej substancji. Gdy już będą to wiedzieli, teoretycy będą mogli przystąpić do obliczeń, pozwalających na dalsze udoskonalenie przepisu na nadprzewodnik w temperaturze pokojowej.
      Dotychczas udowodniono, że próba uzyskania działającego w temperaturze pokojowej nadprzewodnika złożonego z wodoru i jeszcze jednego pierwiastka to ślepy zaułek. Jednak trójskładnikowe związki mogą być rozwiązaniem problemu. Szczególnie obiecująco wygląda tutaj dodanie węgla do całości. Węgiel ma bardzo silne wiązania kowalencyjne i, jak się wydaje, zapobiega on rozpadaniu się par Coopera przy mniejszym ciśnieniu.
      Ciśnienie atmosferyczne będzie tutaj bardzo dużym wyzwaniem. Ale jeśli do równania dodamy węgiel, to jest to bardzo dobry prognostyk na przyszłość, mówi Eva Zurek z zespołu obliczeniowego, który współpracuje z grupą Diasa.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy wykorzystujący Advanced Photon Source z Argonne National Laboratory badają materiał, w których zaobserwowano zjawisko nadprzewodnictwa istniejące w temperaturze -23 stopni Celsjusza. To o około 50 stopni wyższa temperatura niż dotychczasowy rekord.
      Mimo, że nadprzewodnictwo pojawia się w ekstremalnie wysokim ciśnieniu, to i tak mamy tutaj do czynienia z wielkim postępem. Ostatecznym celem jest wykorzystanie nadprzewodnictwa w codziennych zastosowaniach.
      Naukowcy określili dwa warunki, które definiują materiały, które nadają się na nadprzewodniki. Materiał musi umożliwiać przewodzenie prądu bez oporów oraz być odpornym na działanie pola magnetycznego, które nie może go penetrować.
      Dotychczas nadprzewodnictwo uzyskiwano po schłodzeniu materiału do bardzo niskich temperatur. Jednak takie chłodzenie jest niezwykle kosztowne i znacząco obniża możliwość zastosowania tej technologii.
      Ostatnie badania teoretyczne wykazały, że nowe klasy hybryd mogą wykazywać nadprzewodnictwo w wysokich temperaturach. Naukowcy z Instytutu Chemii im. Maksa Plancka połączyli siły z University of Chicago. Razem stworzyli materiał o nazwie superwodorek lantanu, przetestowali go pod kątem nadprzewodnictwa oraz określili jego strukturę i skład.
      Jedynym problemem jest fakt, że materiał ten wykazuje nadprzewodnictwo przy ciśnieniu 150–170 GPa. To ciśnienie około 1,5 miliona razy większe niż ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza.
      W materiale zauważono trzy z czterech cech charakterystycznych dla nadprzewodnictwa. Zaniknęła oporność, pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego zmniejszyła się temperatura krytyczna oraz doszło do zmiany temperatury gdy niektóre pierwiastki zastąpiono innymi izotopami. Czwarta z cech, efekt Meissnera, czyli zanik pola magnetycznego w nadprzewodniku, nie został zaobserwowany. Stało się tak dlatego, że badano na tyle małą próbkę materiału, iż zjawiska tego nie można było wykryć.
      Temperatura, przy jakiej zaobserwowano nadprzewodnictwo, naturalnie występuje w wielu miejscach na świecie. To zaś daje nadzieję, że w końcu uda się stworzyć materiał, w którym nadprzewodnictwo pojawi się w temperaturze pokojowej, a przynajmniej przy 0 stopniach Celsjusza.
      Obecnie naukowcy pracują nad nowym materiałem, który wykaże nadprzewodnictwo w warunkach jeszcze bardziej zbliżonych do naturalnych. Naszym następnym celem jest zmniejszenie ciśnienia, przy którym syntetyzowane są próbki, zwiększenie temperatury tak, by była bliższa pokojowej, a być może stworzenie materiału, który powstaje przy wysokim ciśnieniu, ale nadprzewodnictwo występuje w nim przy ciśnieniu atmosferycznym, stwierdzili naukowcy.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Wynikiem współpracy uczonych z Purdue University, University of New South Wales i University of Melbourne jest najmniejszy tranzystor na świecie. Urządzenie zbudowane jest z pojedynczego atomu fosforu. Tranzystor nie tyle udoskonali współczesną technologię, co pozwoli na zbudowanie zupełnie nowych urządzeń.
      To piękny przykład kontrolowania materii w skali atomowej i zbudowania dzięki temu urządzenia. Pięćdziesiąt lat temu gdy powstał pierwszy tranzystor nikt nie mógł przewidzieć, jaką rolę odegrają komputery. Teraz przeszliśmy do skali atomowej i rozwijamy nowy paradygmat, który pozwoli na zaprzęgnięcie praw mechaniki kwantowej do dokonania podobnego jak wówczas technologicznego przełomu - mówi Michelle Simmons z University of New South Wales, która kierowała pracami zespołu badawczego.
      Niedawno ta sama grupa uczonych połączyła atomy fosforu i krzem w taki sposób, że powstał nanokabel o szerokości zaledwie czterech atomów, który przewodził prąd równie dobrze, jak miedź.
      Gerhard Klimeck, który stał na czele grupy uczonych z Purdue prowadzących symulacje działania nowego tranzystora stwierdził, że jest to najmniejszy podzespół elektroniczny. Według mnie osiągnęliśmy granice działania Prawa Moore’a. Podzespołu nie można już zmniejszyć - powiedział.
      Prawo Moore’a stwierdza, że liczba tranzystorów w procesorze zwiększa się dwukrotnie w ciągu 18 miesięcy. Najnowsze układy Intela wykorzystują 2,3 miliarda tranzystorów, które znajdują się w odległości 32 nanometrów od siebie. Atom fosforu ma średnicę 0,1 nanometra. Minie jeszcze wiele lat zanim powstaną procesory budowane w takiej skali. Tym bardziej, że tranzystor zbudowany z pojedynczego atomu ma bardzo poważną wadę - działa tylko w temperaturze -196 stopni Celsjusza. Atom znajduje się w studni czy też kanale. Żeby działał jak tranzystor konieczne jest, by elektrony pozostały w tym kanale. Wraz ze wzrostem temperatury elektrony stają się bardziej ruchliwe i wychodzą poza kanał - wyjaśnia Klimeck. Jeśli ktoś opracuje technikę pozwalającą na utrzymanie elektronów w wyznaczonym obszarze, będzie można zbudować komputer działający w temperaturze pokojowej. To podstawowy warunek praktycznego wykorzystania tej technologii - dodaje.
      Pojedyncze atomy działające jak tranzystory uzyskiwano już wcześniej, jednak teraz po raz pierwszy udało się ściśle kontrolować ich budowę w skali atomowej. Unikatową rzeczą, jaką osiągnęliśmy, jest precyzyjne umieszczenie pojedynczego atomu tam, gdzie chcieliśmy - powiedział Martin Fuechsle z University of New South Wales.
      Niektórzy naukowcy przypuszczają, że jeśli uda się kontrolować elektrony w kanale, to będzie można w ten sposób kontrolować kubity, zatem powstanie komputer kwantowy.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Uczeni z University of Manchester wpadli na pomysł, który przybliża moment praktycznego wykorzystania grafenu do budowy komputerów. Grafen jest bardzo obiecującym materiałem, ale sprawia on spory kłopot, gdy... przewodzi elektrony zbyt dobrze. To powoduje, że dochodzi do olbrzymich wycieków prądu z grafenowych urządzeń.
      Co prawda specjaliści zaprezentowali już pojedyncze grafenowe tranzystory, które pracują z częstotliwością nawet do 300 GHz, ale wycieki prądu powodują, że tranzystory takie nie mogą być zbyt gęsto upakowane. Natychmiast uległyby bowiem stopieniu.
      Naukowcy z Manchesteru zaproponowali interesujące rozwiązanie problemu. Ich zdaniem należy stworzyć grafenową diodę tunelującą.  W diodzie takiej elektrony tunelują się pomiędzy metalicznymi warstwami za pośrednictwem rozdzielającego je dielektryka.
      Doktor Leonid Ponomarenko, który stał na czele zespołu badawczego, mówi: Stworzyliśmy projekt nowej grafenowej elektroniki. Nasze tranzystory pracują dobrze. Myślę, że można je jeszcze udoskonalić, zminiaturyzować i przystosować do pracy z zegarami taktowanymi z częstotliwościami subterahercowymi.
      Nowe podejście zakłada połączenie warstw grafenu, azotkuboru i disiarczku molidenu. Tranzystory układa się warstwa po warstwie.
      Profesor Geim, jeden z wynalazców grafenu, mówi, że projekt takiego tranzystora to bardzo ważne wydarzenie, ale jeszcze ważniejsze jest prawdopodobnie wykazanie, iż można w skali atomowej układać warstwy.  Drugi wynalazca grafenu, profesor Novoselov dodaje, iż tranzystor tunelowy to jeden z niewyczerpanej gamy urządzeń, które mogą powstać za pomocą układania warstwami.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine odkryli, w jaki sposób lizozym z łez unieszkodliwia o wiele większe od siebie bakterie. Okazuje się, że enzym dysponuje "szczękami", za pomocą których przegryza się przez rzędy ścian komórkowych.
      Szczęki odgryzają ściany komórkowe bakterii, które próbują się dostać do oczu i wywołać infekcję - tłumaczy prof. Gregory Weiss. Lizozym można porównać do buldoga, który nie chce odpuścić, uczepiwszy się nogawki czyichś spodni. Zasadniczo wycina sobie drogę przez ścianę komórkową bakterii.
      Weiss i prof. Philip Collins rozszyfrowali zachowanie białka, budując jeden z najmniejszych na świecie tranzystorów - 25-krotnie mniejszy od stosowanych w laptopach czy smartfonach. Pojedyncze lizozymy przytwierdzano do obwodu.
      Nasze obwody są mikrofonami wielkości molekuły. To jak stetoskop do osłuchiwania serca, z tym że my słuchaliśmy pojedynczej cząsteczki białka - opowiada Collins.
      Naukowcy przyczepili cząsteczkę enzymu do przymocowanej do obwodu elektrycznego węglowej nanorurki. Kiedy przepuszczono przez niego prąd, nanorurka utworzyła miniaturowy mikrofon. Dzięki temu dało się podsłuchiwać enzym w czasie "przegryzania".
      W miarę jak lizozym przemieszcza się po powierzchni bakterii, wykonuje "chapnięcia", które są połączone z ruchem [na zasadzie odrzutu]. Każde ugryzienie tworzy nową minidziurkę, aż wreszcie powstaje wyrwa [...] i mikrob eksploduje - wyjaśnia Weiss. Wygryzanie zachodzi w stałym rytmie: jeden krok to otwieranie "szczęk", a dwa zamykanie.
      Zespół prowadził eksperymenty na wariantach lizozymu T4. Doprowadzono do ich nadekspresji u bakterii E. coli. Do pałeczek okrężnicy wprowadzono plazmid lizozymu.
      Naukowcy sądzą, że rozwiązanie, nad którym pracowali wiele lat, będzie można wykorzystać w wykrywaniu molekuł nowotworowych. Jeśli będzie można wykryć pojedyncze cząstki związane z nowotworem, oznacza to postawienie diagnozy na bardzo wczesnym etapie. Dysponowanie taką metodą zwiększy liczbę wyleczonych pacjentów i obniży koszty terapii.
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...