Il professore associato Mazhar Ali e il suo gruppo di ricerca presso la TU Delft hanno scoperto la superconduttività unidirezionale senza campi magnetici, qualcosa che si pensava fosse impossibile sin dalla sua scoperta nel 1911, fino ad oggi. La scoperta, pubblicata su Natura , fa uso di materiali quantistici 2D e apre la strada all'informatica superconduttiva. I superconduttori possono rendere l'elettronica centinaia di volte più veloce, il tutto con zero perdite di energia. Ali:"Se il 20° secolo è stato il secolo dei semiconduttori, il 21° può diventare il secolo dei superconduttori".

Nel corso del 20° secolo, molti scienziati, compresi i vincitori del Premio Nobel, si sono interrogati sulla natura della superconduttività, scoperta dal fisico olandese Kamerlingh Onnes nel 1911. Nei superconduttori, una corrente attraversa un filo senza alcuna resistenza, il che significa inibire questa corrente o addirittura bloccarlo è difficilmente possibile, per non parlare di far fluire la corrente solo in un modo e non nell'altro. Il fatto che il gruppo di Ali sia riuscito a rendere unidirezionale i superconduttori, necessari per l'informatica, è notevole:lo si può paragonare all'invenzione di un tipo speciale di ghiaccio che non dà attrito quando si pattina in un modo, ma un attrito insormontabile nell'altro.

Superconduttore:super veloce, super verde

I vantaggi dell'applicazione dei superconduttori all'elettronica sono duplici. I superconduttori possono rendere l'elettronica centinaia di volte più veloce e l'implementazione di superconduttori nella nostra vita quotidiana renderebbe l'IT molto più verde:se dovessi far girare un filo superconduttore da qui alla luna, trasporterebbe l'energia senza alcuna perdita. Ad esempio, l'uso di superconduttori invece dei normali semiconduttori potrebbe proteggere fino al 10% di tutte le riserve energetiche occidentali secondo NWO.

La (im)possibilità di applicare il superconduttore

Nel 20° secolo e oltre, nessuno poteva affrontare la barriera di far andare gli elettroni superconduttori in una sola direzione, che è una proprietà fondamentale necessaria per l'informatica e altri dispositivi elettronici moderni (considera ad esempio i diodi che vanno anche in una direzione). In conduzione normale gli elettroni volano come particelle separate; nei superconduttori si muovono a coppie, senza alcuna perdita di energia elettrica. Negli anni '70, gli scienziati dell'IBM hanno sperimentato l'idea del superconduttore di calcolo, ma hanno dovuto interrompere i loro sforzi:nei loro articoli sull'argomento, IBM afferma che senza la superconduttività non reciproca, un computer che funziona con i superconduttori è impossibile.

Intervista con l'autore corrispondente Mazhar Ali

D:Perché, quando la direzione unidirezionale funziona con la normale semiconduzione, la superconduttività unidirezionale non ha mai funzionato prima?

La conduzione elettrica nei semiconduttori, come il Si, può essere unidirezionale a causa di un dipolo elettrico interno fisso, quindi una rete costruita nel potenziale che possono avere. L'esempio da manuale è il famoso pn junction; dove mettiamo insieme due semiconduttori:uno ha elettroni extra (-) e l'altro ha buchi extra (+). La separazione della carica crea una rete nel potenziale che sentirà un elettrone che vola attraverso il sistema. Ciò interrompe la simmetria e può risultare in proprietà unidirezionali perché avanti e indietro, ad esempio, non sono più le stesse. C'è una differenza nell'andare nella stessa direzione del dipolo e nell'andare contro di esso; simile a se stessi nuotando con il fiume o risalendo il fiume.

I superconduttori non hanno mai avuto un analogo di questa idea unidirezionale senza campo magnetico; poiché sono più legati ai metalli (cioè ai conduttori, come dice il nome) che ai semiconduttori, che conducono sempre in entrambe le direzioni e non hanno alcun potenziale integrato. Allo stesso modo, anche le giunzioni Josephson (JJ), che sono sandwich di due superconduttori con materiali di barriera classici non superconduttori tra i superconduttori, non hanno avuto alcun particolare meccanismo di rottura della simmetria che ha comportato una differenza tra avanti e indietro.

D:Come sei riuscito a fare ciò che prima sembrava impossibile?

È stato davvero il risultato di una delle direzioni di ricerca fondamentali del mio gruppo. In quelle che chiamiamo Quantum Material Josephson Junctions (QMJJ), sostituiamo il classico materiale barriera nei JJ con una barriera di materiale quantistico, in cui le proprietà intrinseche dei materiali quantistici possono modulare l'accoppiamento tra i due superconduttori in modi nuovi. Il diodo Josephson ne è stato un esempio:abbiamo usato il materiale quantistico Nb₃ Br₈ , che è un materiale 2D come il grafene che è stato teorizzato per ospitare un dipolo elettrico netto, come nostra barriera di materiale quantistico preferito e lo ha posizionato tra due superconduttori.

Siamo riusciti a staccare solo un paio di strati atomici di questo Nb₃ Br₈ e creare un sandwich molto, molto sottile, spesso solo pochi strati atomici, che era necessario per realizzare il diodo Josephson e non era possibile con i normali materiali 3D. Nb₃ Br₈ , fa parte di un gruppo di nuovi materiali quantistici sviluppati dai nostri collaboratori, il professor Tyrel McQueens e il suo gruppo presso la Johns Hopkins University negli Stati Uniti, ed è stato un elemento chiave per la realizzazione del diodo Josephson per la prima volta.

D:Cosa significa questa scoperta in termini di impatto e applicazioni?

Molte tecnologie si basano su vecchie versioni dei superconduttori JJ, ad esempio la tecnologia MRI. Inoltre, l'informatica quantistica oggi si basa su Josephson Junctions. La tecnologia che in precedenza era possibile solo utilizzando semiconduttori ora può essere potenzialmente realizzata con superconduttori utilizzando questo elemento costitutivo. Ciò include computer più veloci, come nei computer con velocità fino a terahertz, che è da 300 a 400 volte più veloce dei computer che stiamo attualmente utilizzando. Ciò influenzerà tutti i tipi di applicazioni sociali e tecnologiche. Se il 20° secolo è stato il secolo dei semiconduttori, il 21° può diventare il secolo dei superconduttori.

La prima direzione di ricerca che dobbiamo affrontare per l'applicazione commerciale è l'aumento della temperatura di esercizio. Qui abbiamo utilizzato un superconduttore molto semplice che limitava la temperatura di esercizio. Ora vogliamo lavorare con i cosiddetti superconduttori ad alta Tc e vedere se siamo in grado di far funzionare i diodi Josephson a temperature superiori a 77 K, poiché ciò consentirà il raffreddamento con azoto liquido. La seconda cosa da affrontare è il ridimensionamento della produzione. Anche se è fantastico che abbiamo dimostrato che funziona nei nanodispositivi, ne abbiamo realizzati solo una manciata. Il prossimo passo sarà studiare come scalare la produzione a milioni di diodi Josephson su un chip.

D:Quanto sei sicuro del tuo caso?

Ci sono diversi passaggi che tutti gli scienziati devono intraprendere per mantenere il rigore scientifico. Il primo è assicurarsi che i loro risultati siano ripetibili. In questo caso abbiamo realizzato molti dispositivi, da zero, con lotti diversi di materiali, e abbiamo riscontrato ogni volta le stesse proprietà, anche se misurate su macchine diverse in paesi diversi da persone diverse. Questo ci ha detto che il risultato del diodo Josephson proveniva dalla nostra combinazione di materiali e non da un risultato spurio di sporco, geometria, macchina o errore o interpretazione dell'utente.

Abbiamo anche condotto esperimenti con la pistola fumante che restringono drasticamente le possibilità di interpretazione. In questo caso, per essere sicuri di avere un effetto diodo superconduttore, abbiamo effettivamente provato a cambiare il diodo; poiché in abbiamo applicato la stessa intensità di corrente in entrambe le direzioni avanti e indietro e abbiamo dimostrato che in realtà non abbiamo misurato alcuna resistenza (superconduttività) in una direzione e resistenza reale (conduttività normale) nell'altra direzione.

Abbiamo anche misurato questo effetto durante l'applicazione di campi magnetici di diverse grandezze e abbiamo mostrato che l'effetto era chiaramente presente a 0 campo applicato e viene ucciso da un campo applicato. Questa è anche una pistola fumante per la nostra affermazione di avere un effetto diodo superconduttore a campo applicato zero, un punto molto importante per le applicazioni tecnologiche. Questo perché i campi magnetici su scala nanometrica sono molto difficili da controllare e limitare, quindi per le applicazioni pratiche è generalmente preferibile operare senza richiedere campi magnetici locali.

D:È realistico che i normali computer (o anche i supercomputer di KNMI e IBM) utilizzino i superconduttori?

Sì! Non per le persone a casa, ma per le server farm o per i supercomputer, sarebbe intelligente implementarlo. Il calcolo centralizzato è davvero il modo in cui funziona il mondo oggigiorno. Qualsiasi calcolo intensivo viene eseguito in strutture centralizzate in cui la localizzazione aggiunge enormi vantaggi in termini di gestione dell'alimentazione, gestione del calore, ecc. L'infrastruttura esistente potrebbe essere adattata senza troppi costi per funzionare con l'elettronica basata su diodi Josephson. C'è una possibilità molto reale, se le sfide discusse nell'altra domanda vengono superate, che questo rivoluzionerà la centralizzazione e il supercalcolo. + Esplora ulteriormente

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