Docent Mazhar Ali och hans forskargrupp vid TU Delft har upptäckt envägssupraledning utan magnetfält, något som ansågs vara omöjligt ända sedan upptäckten 1911 – fram till nu. Upptäckten, publicerad i Nature , använder sig av 2D-kvantmaterial och banar väg för supraledande beräkningar. Supraledare kan göra elektronik hundratals gånger snabbare, allt med noll energiförlust. Ali:"Om 1900-talet var halvledarnas århundrade, kan det 21:a bli supraledarens århundrade."

Under 1900-talet har många vetenskapsmän, inklusive nobelpristagare, undrat över superledningsförmågans natur, som upptäcktes av den holländska fysikern Kamerlingh Onnes 1911. I supraledare går en ström genom en tråd utan något motstånd, vilket innebär att denna ström hämmas. eller till och med att blockera det är knappast möjligt – än mindre att få strömmen att flyta bara åt det ena hållet och inte åt det andra. Att Alis grupp lyckades göra supraledande enriktad – nödvändig för datoranvändning – är anmärkningsvärt:man kan jämföra det med att uppfinna en speciell typ av is som ger dig noll friktion när du åker skridskor åt det ena hållet, men oöverstiglig friktion åt andra hållet.

Supraledare:Supersnabb, supergrön

Fördelarna med att använda supraledare på elektronik är tvåfaldiga. Supraledare kan göra elektronik hundratals gånger snabbare, och att implementera supraledare i våra dagliga liv skulle göra IT mycket grönare:om du skulle snurra en supraledande tråd härifrån till månen, skulle den transportera energin utan förlust. Till exempel kan användningen av supraledare istället för vanliga halvledare säkra upp till 10 % av alla västerländska energireserver enligt NWO.

(o)möjligheten att tillämpa supraledning

Under 1900-talet och därefter kunde ingen ta sig an barriären att få supraledande elektroner att gå i bara en riktning, vilket är en grundläggande egenskap som behövs för datorer och annan modern elektronik (tänk till exempel dioder som går åt ena sidan också). I normal ledning flyger elektronerna runt som separata partiklar; i supraledare rör de sig i par av två, utan någon förlust av elektrisk energi. På 70-talet testade forskare vid IBM idén med supraledande datorer men var tvungna att stoppa sina ansträngningar:i sina uppsatser om ämnet nämner IBM att utan icke-ömsesidig supraledning är en dator som körs på supraledare omöjlig.

Intervju med motsvarande författare Mazhar Ali

F:Varför, när envägsriktning fungerar med normal halvledning, har envägssupraledning aldrig fungerat tidigare?

Elektrisk ledning i halvledare, som Si, kan vara enkelriktad på grund av en fast inre elektrisk dipol, så ett nät inbyggt potential de kan ha. Läroboksexemplet är den berömda pn-korsningen; där vi slår ihop två halvledare:en har extra elektroner (-) och den andra har extra hål (+). Separationen av laddning gör ett nät inbyggt i potential som en elektron som flyger genom systemet kommer att känna. Detta bryter symmetri och kan resultera i enkelriktade egenskaper eftersom framåt vs bakåt, till exempel, inte längre är desamma. Det är skillnad på att gå i samma riktning som dipolen kontra att gå emot den; liknande om du simmade med floden eller simmade uppför floden.

Supraledare hade aldrig en analog till denna enriktade idé utan magnetfält; eftersom de är mer relaterade till metaller (d.v.s. ledare, som namnet säger) än halvledare, som alltid leder i båda riktningarna och inte har någon inbyggd potential. På liknande sätt har Josephson Junctions (JJs), som är smörgåsar av två supraledare med icke-supraledande, klassiska barriärmaterial mellan supraledarna, inte heller haft någon speciell symmetribrytande mekanism som resulterade i en skillnad mellan framåt och bakåt.

F:Hur lyckades du göra det som först verkade omöjligt?

Det var verkligen resultatet av en av min grupps grundläggande forskningsriktningar. I vad vi kallar Quantum Material Josephson Junctions (QMJJs) ersätter vi det klassiska barriärmaterialet i JJs med en kvantmaterialbarriär, där kvantmaterialens inneboende egenskaper kan modulera kopplingen mellan de två supraledarna på nya sätt. Josephson-dioden var ett exempel på detta:vi använde kvantmaterialet Nb₃ Br₈ , som är ett 2D-material som grafen som har teoretiserats vara värd för en elektrisk elektrisk dipol, som vår valbara kvantmaterialbarriär och placerade den mellan två supraledare.

Vi kunde dra bort bara ett par atomlager av denna Nb₃ Br₈ och gör en mycket, mycket tunn smörgås - bara några atomlager tjocka - som behövdes för att göra Josephson-dioden, och som inte var möjligt med vanliga 3D-material. OBS₃ Br₈ , är en del av en grupp nya kvantmaterial som utvecklas av våra medarbetare, professor Tyrel McQueens och hans grupp vid Johns Hopkins University i USA, och var en viktig del i att vi förverkligade Josephson-dioden för första gången.

F:Vad betyder denna upptäckt när det gäller inverkan och tillämpningar?

Många tekniker är baserade på gamla versioner av JJ supraledare, till exempel MRI-teknik. Dessutom är kvantberäkning idag baserad på Josephson Junctions. Teknik som tidigare bara var möjlig med halvledare kan nu potentiellt göras med supraledare som använder denna byggsten. Detta inkluderar snabbare datorer, som i datorer med upp till terahertzhastighet, vilket är 300 till 400 gånger snabbare än de datorer vi nu använder. Detta kommer att påverka alla möjliga samhälleliga och tekniska tillämpningar. Om 1900-talet var halvledarnas århundrade kan det 21:a bli supraledarens århundrade.

Den första forskningsriktningen vi måste ta oss an för kommersiell tillämpning är att höja driftstemperaturen. Här använde vi en väldigt enkel supraledare som begränsade driftstemperaturen. Nu vill vi arbeta med de kända så kallade High Tc Superconductors, och se om vi kan driva Josephson-dioder vid temperaturer över 77 K, eftersom detta kommer att möjliggöra kylning av flytande kväve. Den andra saken att ta itu med är skalning av produktionen. Även om det är bra att vi bevisade att detta fungerar i nanoenheter, gjorde vi bara en handfull. Nästa steg blir att undersöka hur man kan skala produktionen till miljontals Josephson-dioder på ett chip.

F:Hur säker är du på ditt fall?

Det finns flera steg som alla forskare måste ta för att upprätthålla vetenskaplig rigor. Det första är att se till att deras resultat är repeterbara. I det här fallet gjorde vi många enheter, från grunden, med olika partier av material, och hittade samma egenskaper varje gång, även när de mättes på olika maskiner i olika länder av olika personer. Detta berättade för oss att Josephson-diodens resultat kom från vår kombination av material och inte något falskt resultat av smuts, geometri, maskin- eller användarfel eller tolkning.

Vi genomförde också experiment med rökvapen som dramatiskt minskar tolkningsmöjligheten. I det här fallet, för att vara säker på att vi hade en supraledande diodeffekt, försökte vi faktiskt byta diod; som i applicerade vi samma storlek på ström i både framåt och bakåt riktningar och visade att vi faktiskt inte mätte något motstånd (supraledning) i en riktning och verkligt motstånd (normal konduktivitet) i den andra riktningen.

Vi mätte också denna effekt medan vi applicerade magnetiska fält av olika storlek och visade att effekten var tydligt närvarande vid 0 applicerat fält och dödas av ett applicerat fält. Detta är också en rykande pistol för vårt påstående om att ha en supraledande diodeffekt vid noll applicerat fält, en mycket viktig punkt för tekniska tillämpningar. Detta beror på att magnetiska fält på nanometerskala är mycket svåra att kontrollera och begränsa, så för praktiska tillämpningar är det i allmänhet önskvärt att fungera utan att kräva lokala magnetfält.

F:Är det realistiskt för vanliga datorer (eller till och med superdatorerna från KNMI och IBM) att använda supraledning?

Ja det är det! Inte för folk hemma, utan för serverfarmar eller för superdatorer, det skulle vara smart att implementera detta. Centraliserad beräkning är verkligen hur världen fungerar nu för tiden. Alla intensiva beräkningar görs på centraliserade anläggningar där lokalisering ger enorma fördelar när det gäller energihantering, värmehantering, etc. Den befintliga infrastrukturen skulle kunna anpassas utan alltför mycket kostnad för att fungera med Josephson diodbaserad elektronik. Det finns en mycket verklig chans, om de utmaningar som diskuteras i den andra frågan övervinns, att detta kommer att revolutionera centraliserad och superdatorer. + Utforska vidare

Grön informationsteknik:Superledning möter spintronik