超導體有朝一日可能為新一代超高效率電子元件提供動力，但重大的技術障礙一直將這項技術主要限制在研究實驗室中。現在，瑞典查爾姆斯科技大學的科學家們開發出一種新方法，解決了該領域最大的挑戰之一：在較高溫度下維持超導性，同時抵抗強磁場。
這項進展有助於將超導技術更接近在電子、能源系統和量子裝置中的實際應用。
現代數位設備、資料中心以及資訊與通訊技術（ICT）網絡，估計佔全球電力消耗的 6% 至 12%。隨著能源需求持續上升，研究人員正在尋找方法使電子設備的效率大幅提高。
超導體特別具吸引力，因為它們能夠傳輸電流而沒有能量損失。與將能量以熱量浪費掉的傳統電子系統不同，超導體可以無阻力地傳輸電力。理論上，這可以使電網、電子設備和量子技術的效率提高數百倍。
為何超導體難以使用
儘管前景光明，超導體仍面臨多項限制其現實世界應用的障礙。
一個挑戰是溫度。許多超導體僅在極低溫度下工作，通常在攝氏零下 200 度左右。達到並維持 such 溫度需要複雜且耗能的冷卻系統。
磁場是另一個主要問題。強磁場會削弱甚至消除超導性。這一點尤其重要，因為許多先進的電子系統和量子技術要麼產生磁場，要麼依賴磁場。
為了實現廣泛使用的實用性，超導材料必須能夠在較高溫度下（理想情況下接近室溫）運行，同時在強磁場環境中保持穩定。
一種不同的策略，以獲得更強的超導性
研究人員多年來一直試圖透過改變超導體的化學成分來改善它們，但進展有限。查爾姆斯團隊決定採取不同的方法。
「透過雕塑超導體所依附的表面，我們能夠在比以往可能的高得多的溫度下誘導出超導性。我們還發現，即使暴露在強磁場下，該材料仍然保持超導性，」查爾姆斯量子裝置物理學教授兼《自然通訊》期刊上發表的研究首席作者 Floriana Lombardi 解釋道。
微小的表面變化如何產生巨大影響
研究人員使用了一種銅酸鹽家族的氧化銅材料。銅酸鹽已知在相對較高的溫度下表現出超導性，但一旦製造完成，其化學結構就難以修改。
研究中使用的超導層僅有幾奈米厚，不到人類頭髮厚度的百萬分之一。 such 超薄材料必須生長在稱為基底的支撐基礎上，基底在製造過程中充當模板。
突破來自於對基底本身進行奈米級的修改。
「由於基底中的原子以特定模式排列，它們可以『引導』超導層中的原子如何沉積。透過改變基底的表面設計，我們能夠影響超導特性，並確保它們即使在較高溫度和施加高磁場時也能得到保留，」瑞典 RISE 研究機構的研究員 Eric Walhberg 解釋道。
在添加超導薄膜之前，團隊在高溫真空下處理了基底。這個過程在表面形成了有序的微小脊和谷的圖案。
這些微觀特徵改變了基底和超導層相遇的電子環境，創造了有利於更強超導性的條件。
「我們可以看到，在這個界面區域，電子的性質開始具有優先方向，並以穩定和增強超導狀態的方式行事，」Lombardi 說。
未來超導體的新設計原則
這些發現為思考超導材料提供了一種新的方式。研究人員可能能夠透過仔細設計材料生長的表面來提高性能，而不是僅專注於發現新材料或改變其化學性質。
「與其尋找全新的材料或改變現有材料的化學性質，我們現在展示了如何透過雕塑基底來增強超導性，」Lombardi 說。
研究人員認為，這種策略最終有助於超導體在更高的溫度下工作，甚至可能接近室溫。
這項工作也指向了未來在節能電子設備、先進量子元件以及必須在強磁場中運行的技術中的應用。
「這表明，奈米級的微小變化可以產生決定性的影響，甚至可能釋放超導性在未來電子設備中的全部潛力，」Lombardi 說。
該研究「Boosting superconductivity in ultrathin YBa 2 Cu 3 O 7 −δ films via nanofaceted substrates」發表在《自然通訊》期刊上。
作者包括 Eric Wahlberg、Riccardo Arpaia、Debmalya Chakraborty、Alexei Kalaboukhov、David Vignolles、Cyril Proust、Annica M. Black-Schaffer、Thilo Bauch、Götz Seibold 和 Floriana Lombardi。
參與該項目的研究人員隸屬於查爾姆斯科技大學、瑞典 RISE 研究機構、義大利威尼斯 Ca' Foscari 大學、印度 Birla 技術與科學學院 -- Pilani K. K. Birla Goa 校區、印度印度科學教育與研究學院 (IISER)、瑞典烏普薩拉大學、法國格勒諾布爾阿爾卑斯大學、圖盧茲大學、INSA-T 以及德國 BTU Cottbus-Senftenberg 的物理研究所。
部分研究是在 Myfab Chalmers（一個無塵室設施）進行的。
資金由瑞典研究委員會 (VR)、Knut 和 Alice Wallenberg 基金會、歐盟透過 EIC Pathfinder 補助金以及德國研究基金會提供。
材料由查爾姆斯科技大學提供。注意：內容可能經過風格和長度編輯。
