Universitair hoofddocent Mazhar Ali en zijn onderzoeksgroep aan de TU Delft hebben eenrichtingssupergeleiding zonder magnetische velden ontdekt, iets wat tot nu toe voor onmogelijk werd gehouden sinds de ontdekking in 1911. De ontdekking, gepubliceerd in Nature , maakt gebruik van 2D-kwantummaterialen en baant de weg naar supergeleidende computers. Supergeleiders kunnen elektronica honderden keren sneller maken, allemaal zonder energieverlies. Ali:"Als de 20e eeuw de eeuw van de halfgeleiders was, kan de 21e de eeuw van de supergeleider worden."

In de 20e eeuw hebben veel wetenschappers, waaronder Nobelprijswinnaars, zich afgevraagd wat de aard van supergeleiding is, die in 1911 werd ontdekt door de Nederlandse natuurkundige Kamerlingh Onnes. In supergeleiders gaat een stroom door een draad zonder enige weerstand, wat betekent dat deze stroom wordt geremd of zelfs het blokkeren ervan is nauwelijks mogelijk - laat staan ​​dat de stroom maar op de ene manier loopt en niet op de andere. Dat Ali's groep erin slaagde om supergeleidend eenrichtingsverkeer te maken - noodzakelijk voor computers - is opmerkelijk:je kunt het vergelijken met het uitvinden van een speciaal soort ijs dat je geen wrijving geeft als je de ene kant op schaatst, maar onoverkomelijke wrijving de andere kant op.

Supergeleider:supersnel, supergroen

De voordelen van het toepassen van supergeleiders op elektronica zijn tweeledig. Supergeleiders kunnen elektronica honderden keren sneller maken, en het implementeren van supergeleiders in ons dagelijks leven zou IT veel groener maken:als je een supergeleidende draad van hier naar de maan zou spinnen, zou het de energie zonder enig verlies transporteren. Zo zou het gebruik van supergeleiders in plaats van reguliere halfgeleiders volgens NWO tot 10% van alle westerse energiereserves kunnen redden.

De (on)mogelijkheid om supergeleiding toe te passen

In de 20e eeuw en daarna kon niemand de barrière overwinnen om supergeleidende elektronen in slechts één richting te laten gaan, wat een fundamentele eigenschap is die nodig is voor computers en andere moderne elektronica (denk bijvoorbeeld aan diodes die ook één kant op gaan). Bij normale geleiding vliegen de elektronen als losse deeltjes rond; in supergeleiders bewegen ze in paren van twee, zonder enig verlies van elektrische energie. In de jaren '70 probeerden wetenschappers van IBM het idee van supergeleidende computers uit, maar moesten hun inspanningen staken:in hun artikelen over dit onderwerp vermeldt IBM dat een computer die op supergeleiders draait onmogelijk is zonder niet-wederkerige supergeleiding.

Interview met corresponderende auteur Mazhar Ali

V:Waarom heeft eenrichtings-supergeleiding nooit eerder gewerkt als eenrichtingsrichting werkt met normale halfgeleiding?

Elektrische geleiding in halfgeleiders, zoals Si, kan eenrichtingsverkeer zijn vanwege een vaste interne elektrische dipool, dus een net ingebouwd potentieel dat ze kunnen hebben. Het schoolvoorbeeld is het beroemde pn-knooppunt; waar we twee halfgeleiders tegen elkaar slaan:de ene heeft extra elektronen (-) en de andere heeft extra gaten (+). De scheiding van lading maakt een net ingebouwd potentiaal dat een elektron dat door het systeem vliegt, zal voelen. Dit doorbreekt de symmetrie en kan resulteren in eenrichtingseigenschappen omdat bijvoorbeeld vooruit vs achteruit niet meer hetzelfde zijn. Er is een verschil tussen in dezelfde richting gaan als de dipool en er tegenin gaan; vergelijkbaar met wanneer je met de rivier zwom of de rivier opzwom.

Supergeleiders hadden nooit een analoog van dit eenrichtingsidee zonder magnetisch veld; omdat ze meer gerelateerd zijn aan metalen (d.w.z. geleiders, zoals de naam al zegt) dan halfgeleiders, die altijd in beide richtingen geleiden en geen ingebouwd potentieel hebben. Evenzo hadden Josephson Junctions (JJ's), die sandwiches zijn van twee supergeleiders met niet-supergeleidende, klassieke barrièrematerialen tussen de supergeleiders, ook geen specifiek symmetrie-brekend mechanisme dat resulteerde in een verschil tussen vooruit en achteruit.

V:Hoe ben je erin geslaagd om te doen wat eerst onmogelijk leek?

Het was echt het resultaat van een van de fundamentele onderzoeksrichtingen van mijn groep. In wat we Quantum Material Josephson Junctions (QMJJ's) noemen, vervangen we het klassieke barrièremateriaal in JJ's door een kwantummateriaalbarrière, waarbij de intrinsieke eigenschappen van de kwantummaterialen de koppeling tussen de twee supergeleiders op nieuwe manieren kunnen moduleren. De Josephson Diode was daar een voorbeeld van:we gebruikten het kwantummateriaal Nb₃ Br₈ , een 2D-materiaal zoals grafeen waarvan is getheoretiseerd dat het een netto elektrische dipool host, als onze favoriete kwantummateriaalbarrière en het tussen twee supergeleiders plaatste.

We waren in staat om slechts een paar atoomlagen van deze Nb₃ . af te pellen Br₈ en maak een heel, heel dunne sandwich - slechts een paar atoomlagen dik - die nodig was voor het maken van de Josephson-diode, en niet mogelijk was met normale 3D-materialen. Nb₃ Br₈ , maakt deel uit van een groep nieuwe kwantummaterialen die worden ontwikkeld door onze medewerkers, professor Tyrel McQueens en zijn groep aan de Johns Hopkins University in de VS, en was een sleutelstuk in ons het realiseren van de Josephson-diode voor de eerste keer.

V:Wat betekent deze ontdekking in termen van impact en toepassingen?

Veel technologieën zijn gebaseerd op oude versies van JJ-supergeleiders, bijvoorbeeld MRI-technologie. Ook is kwantumcomputing tegenwoordig gebaseerd op Josephson Junctions. Technologie die voorheen alleen mogelijk was met halfgeleiders, kan nu mogelijk gemaakt worden met supergeleiders met behulp van deze bouwsteen. Dit omvat snellere computers, zoals computers met een snelheid tot terahertz, die 300 tot 400 keer sneller is dan de computers die we nu gebruiken. Dit heeft invloed op allerlei maatschappelijke en technologische toepassingen. Als de 20e eeuw de eeuw van de halfgeleiders was, kan de 21e de eeuw van de supergeleider worden.

De eerste onderzoeksrichting die we moeten aanpakken voor commerciële toepassing is het verhogen van de bedrijfstemperatuur. Hier gebruikten we een heel eenvoudige supergeleider die de bedrijfstemperatuur beperkte. Nu willen we gaan werken met de bekende zogenaamde High Tc Superconductors, en kijken of we Josephson-diodes kunnen laten werken bij temperaturen boven de 77 K, aangezien dit koeling met vloeibare stikstof mogelijk maakt. Het tweede dat moet worden aangepakt, is de schaalvergroting van de productie. Hoewel het geweldig is dat we hebben bewezen dat dit werkt in nano-apparaten, hebben we er maar een handvol van gemaakt. De volgende stap zal zijn om te onderzoeken hoe de productie kan worden opgeschaald naar miljoenen Josephson-diodes op een chip.

V:Hoe zeker bent u van uw zaak?

Er zijn verschillende stappen die alle wetenschappers moeten nemen om de wetenschappelijke nauwkeurigheid te behouden. De eerste is om ervoor te zorgen dat hun resultaten herhaalbaar zijn. In dit geval hebben we veel apparaten gemaakt, helemaal opnieuw, met verschillende partijen materialen, en vonden we elke keer dezelfde eigenschappen, zelfs als we door verschillende mensen op verschillende machines in verschillende landen werden gemeten. Dit vertelde ons dat het resultaat van de Josephson-diode afkomstig was van onze combinatie van materialen en niet een onecht resultaat van vuil, geometrie, machine- of gebruikersfout of interpretatie.

We hebben ook smoking gun-experimenten uitgevoerd die de mogelijkheid tot interpretatie drastisch verkleinen. In dit geval hebben we, om er zeker van te zijn dat we een supergeleidend diode-effect hadden, geprobeerd de diode te verwisselen; zoals in, we pasten dezelfde stroomsterkte toe in zowel voorwaartse als achterwaartse richtingen en toonden aan dat we feitelijk geen weerstand (supergeleiding) in de ene richting en echte weerstand (normale geleidbaarheid) in de andere richting hebben gemeten.

We hebben dit effect ook gemeten tijdens het aanleggen van magnetische velden van verschillende grootten en hebben aangetoond dat het effect duidelijk aanwezig was bij 0 toegepast veld en wordt gedood door een aangelegd veld. Dit is ook een schot in de roos voor onze bewering dat we een supergeleidend diode-effect hebben bij nul toegepast veld, een zeer belangrijk punt voor technologische toepassingen. Dit komt omdat magnetische velden op nanometerschaal erg moeilijk te beheersen en te beperken zijn, dus voor praktische toepassingen is het over het algemeen gewenst om te werken zonder lokale magnetische velden.

V:Is het realistisch dat gewone computers (of zelfs de supercomputers van KNMI en IBM) gebruik maken van supergeleiding?

Jazeker! Niet voor mensen thuis, maar voor server farms of voor supercomputers zou het slim zijn om dit te implementeren. Gecentraliseerde berekening is echt hoe de wereld tegenwoordig werkt. Alle intensieve berekeningen worden uitgevoerd in gecentraliseerde faciliteiten waar lokalisatie enorme voordelen biedt op het gebied van energiebeheer, warmtebeheer, enz. De bestaande infrastructuur zou zonder al te veel kosten kunnen worden aangepast om te werken met op Josephson-diode gebaseerde elektronica. Er is een zeer reële kans, als de uitdagingen die in de andere vraag worden besproken, worden overwonnen, dat dit een revolutie teweeg zal brengen in gecentraliseerde en supercomputers. + Verder verkennen

Groene informatietechnologieën:supergeleiding ontmoet spintronica