ابررسانای یک‌طرفه، روزنه‌ای نو برای بهینه‌سازی مصرف انرژی شبکه‌های رایانه‌ای

پژوهشگران یک دانشگاه هلند می‌گویند مواد به کار رفته در یک ابررسانای نوع جدید به افزایش بهره‌وری انرژی در شبکه‌های رایانه‌ای و سِروِرهای داده منجر خواهد شد.

کد خبر: ۴۵۳۱۶۲

تاریخ: ۲۳ خرداد ۱۴۰۱ - ۰۸:۲۹

به گزارش گروه علم و آموزش ایران اکونومیست از پایگاه خبری پاپ‌ساینس، تصور کنید که رایانه شما بتواند بدون گرم شدن با برقی که برای همیشه جریان دارد کار کند. این یک کار جادویی نیست بلکه آینده بالقوه یک پدیده واقعی موسوم به ابررسانایی است که امروزه زیربنای اموری از پژوهش‌های پیشرفته مغناطیسی تا دستگاه‌های تصویربرداری مغناطیسی (MRI) است.

دانشمندان اکنون دریافته‌اند که می‌توانند ابررسانایی بسازند که با نمونه‌های قبلی متفاوت است. این ابررسانا امکانی فراهم می‌سازد که برق تنها در یک مسیر جریان پیدا کند. همانند قطاری در سرازیری، در یک طرف آزادانه حرکت می‌کند اما در طرف دیگر با سر بالایی رعب‌آور رو به رو می‌شود. این مساله عجیب به نظر می‌رسد ولی این توانایی برای ساخت مدارهای الکترونیکی که نیروی رایانه را تامین می‌کنند نقش حیاتی دارد. اگر نتایج به دست آمده پایدار باشد، می‌تواند آن آینده منظر را یک گام به واقعیت نزدیک‌تر سازد.

«مظهر علی» فیزیکدان دانشگاه فناوری هلند و یکی از نویسندگان این گزارش تحقیقی منتشرشده در نشریه «نیچر» گفت: اکنون احتمالات جالب زیادی در دسترس است. ابررسانایی با تصورات ما از چگونگی کارکرد (قوانین) فیزیک مغایرت دارد. بطور معمول زمانی که الکتریسیته در طول یک سیم جریان می‌یابد، الکترون‌های داخل ‌آن با مقاومت شدیدی رو به رو می‌شوند و در برابر اتم‌های تشکیل دهنده سیم قرار می‌گیرند. انرژی الکتریکی اغلب به شکل گرما از دست می‌رود. به همین علت است که با لمس وسایل الکترونیکی احساس گرما می‌کنید. این مساله همچنین به معنی کاهش بهره‌وری است.

اما اگر ماده هدایت کننده برق را به طور عمقی سرد کنید، به نقطه‌ای می‌رسید که دانشمندان به آن دمای بحرانی می‌ گویند. دمای دقیق بحرانی بستگی به ماده دارد اما معمولا در حوزه برودتی قرار دارد که اندکی بالاتر از صفر مطلق است که سردترین دمای مجاز در فیزیک است. در نقطه بحرانی، مقاومت ماده تا حد صفر سقوط می‌کند. اکنون شما یک ابررسانا ساخته‌اید.

اما الکتریسیته عاری از مقاومت چه شکلی است؟ این بدان معنا است که جریان (برق) می‌تواند از درون یک سیم، از نظر تئوری بطور بی‌پایان و همیشگی بدون پراکنده‌شدن جریان یابد. این دستاورد مهمی در فیزیک است؛ چرا که مطابق قوانین فیزیک، حرکت همیشگی نباید امکان‌پذیر باشد.

این گروه تحقیقاتی از چند سال پیش تحقیق درباره ویژگی‌های یک فلز موسوم به Nb۳Br۸ ساخته شده از اتم‌های «نیوبیم» و «برومین» را شروع کردند. آنها با ساختن ورقه‌های نازک‌تر از این فلز دریافتند که حالت رسانایی آن بیشتر شد. این امر غیرمعمول بود. این محققان برای تحقیق بیشتر از تکنیک ساندویچ استفاده کردند که دو تکه از یک ابررسانای شناخته شده نقش نان را داشت و فلز Nb۳Br۸ محتویات را تشکیل داد.

محققان با این کار به بررسی این فلز پرداختند و دریافتند که یک ابررسانای یک طرفه ساخته‌اند. چیزی که ساخته‌اند بسیار شبیه یک «دیود» است؛ قطعه‌ای که الکتریسیته را تنها در یک جهت هدایت می‌کند. دیودها در وسایل الکترونیک امروزی کاربرد زیادی دارند.

برای افرادی که رویای ساخت وسایل الکترونیک با ابررساناها را دارند، توانایی ارسال برق در یک جهت یک الهام نیرومند است. برخی دانشمندان اعتقاد دارند که چنین وسایلی یک میزبان آشکار دارند: رایانه‌های کوانتومی که ذراتی مانند اتم‌ها را برای ساختن وسایلی مهار می‌کنند تا کارهایی انجام دهند که رایانه‌های متعارف قادر به انجام آنها نیستند.

مشکل اینجاست که مقادیر کمی گرما هم موجب خاموش شدن رایانه‌های کوانتومی خواهد شد و از این رو مهندسان باید آنها را در سردکننده‌های برودتی بسازند که آنها را اندکی بالاتر از صفر مطلق حفظ می‌کند.

اما مشکل دیگر این است که وسایل الکترونیکی معمولی در آن دما به خوبی کار نمی‌کنند، اما یک دیود ابررسانای سرمایی ممکن است در چنین شرایطی کار کند.

ابررایانه‌ها و مراکز بزرگ داده که یک درصد برق جهان را مصرف می‌کنند می‌توانند از این فناوری نوین بهره ببرند. استفاده از ابررساناها در سرورهای داده می‌تواند بهره‌وری انرژی در آنها را هزاران بار بهبود بخشد.

تحقق این هدف البته هنوز موانعی دارد. گام بعدی یافتن راهی برای تولید یک باره تعداد زیادی دیود ابررسانا و یافتن راهی برای بهره‌برداری از آنها در بالای دمای منفی ۳۲۱ درجه فارنهایت است.

با وجود مشکلات موجود، علی و همکارانش امیدوارند که در چند سال آینده به پیشرفت‌های جدیدی در این زمینه دست یابند.