Opdagelse af envejs-superlederen, menes at være umulig

Lektor Mazhar Ali og hans forskergruppe ved TU Delft har opdaget envejs-superledning uden magnetfelter, noget man troede var umuligt lige siden opdagelsen i 1911 – indtil nu. Opdagelsen, offentliggjort i Nature , gør brug af 2D kvantematerialer og baner vejen mod superledende databehandling. Superledere kan gøre elektronik hundredvis af gange hurtigere, alt sammen med nul energitab. Ali:"Hvis det 20. århundrede var halvledernes århundrede, kan det 21. blive superlederens århundrede."

I løbet af det 20. århundrede har mange videnskabsmænd, herunder nobelprisvindere, undret sig over arten af ​​superledning, som blev opdaget af den hollandske fysiker Kamerlingh Onnes i 1911. I superledere går en strøm gennem en ledning uden nogen modstand, hvilket betyder at hæmme denne strøm eller endda blokering af det er næppe muligt - endsige at få strømmen til kun at flyde den ene vej og ikke den anden. At Alis gruppe formåede at gøre superledende en-retningsbestemt – nødvendigt for computere – er bemærkelsesværdigt:man kan sammenligne det med at opfinde en speciel type is, som giver dig nul friktion, når du skater den ene vej, men uoverkommelig friktion den anden vej.

Superleder:Superhurtig, supergrøn

Fordelene ved at anvende superledere til elektronik er dobbelte. Superledere kan gøre elektronik hundredvis af gange hurtigere, og at implementere superledere i vores dagligdag ville gøre IT meget grønnere:Hvis du skulle spinde en superledende ledning herfra til månen, ville den transportere energien uden tab. For eksempel kan brugen af ​​superledere i stedet for almindelige halvledere sikre op til 10 % af alle vestlige energireserver ifølge NWO.

(u)muligheden for at anvende superledning

I det 20. århundrede og derefter kunne ingen tackle barrieren med at få superledende elektroner til at gå i kun én retning, hvilket er en grundlæggende egenskab, der er nødvendig for computere og anden moderne elektronik (tænk for eksempel på dioder, der også går én vej). I normal ledning flyver elektronerne rundt som separate partikler; i superledere bevæger de sig i par af to, uden tab af elektrisk energi. I 70'erne afprøvede videnskabsmænd hos IBM ideen om superledende computere, men måtte stoppe deres indsats:I deres artikler om emnet nævner IBM, at uden ikke-gensidig superledning er en computer, der kører på superledere, umulig.

Interview med den tilsvarende forfatter Mazhar Ali

Sp:Hvorfor, når envejsretning fungerer med normal halvledning, har envejs superledning aldrig fungeret før?

Elektrisk ledning i halvledere, som Si, kan være envejs på grund af en fast intern elektrisk dipol, så et net indbygget potentiale, de kan have. Lærebogseksemplet er det berømte pn-kryds; hvor vi slår to halvledere sammen:den ene har ekstra elektroner (-) og den anden har ekstra huller (+). Adskillelsen af ​​ladning gør et net indbygget potentiale, som en elektron, der flyver gennem systemet, vil føle. Dette bryder symmetrien og kan resultere i envejsegenskaber, fordi frem og tilbage, for eksempel, ikke længere er det samme. Der er forskel på at gå i samme retning som dipolen vs at gå imod den; svarende til hvis du svømmede med floden eller svømmede op ad floden.

Superledere havde aldrig en analog af denne en-retnings-idé uden magnetfelt; da de er mere relateret til metaller (dvs. ledere, som navnet siger) end halvledere, som altid leder i begge retninger og ikke har noget indbygget potentiale. På samme måde har Josephson Junctions (JJ'er), som er sandwich af to superledere med ikke-superledende, klassiske barrierematerialer mellem superlederne, heller ikke haft nogen særlig symmetri-brydende mekanisme, der resulterede i en forskel mellem fremad og bagud.

Spørgsmål:Hvordan lykkedes det dig at gøre det, der først syntes umuligt?

Det var virkelig resultatet af en af ​​min gruppes grundlæggende forskningsretninger. I det vi kalder Quantum Material Josephson Junctions (QMJJs), erstatter vi det klassiske barrieremateriale i JJs med en kvantematerialebarriere, hvor kvantematerialernes iboende egenskaber kan modulere koblingen mellem de to superledere på nye måder. Josephson-dioden var et eksempel på dette:vi brugte kvantematerialet Nb₃ Br₈ , som er et 2D-materiale som grafen, der er blevet teoretiseret til at være vært for en netto elektrisk dipol, som vores foretrukne kvantematerialebarriere og placerede den mellem to superledere.

Vi var i stand til at skrælle et par atomlag af denne Nb₃ af Br₈ og lav en meget, meget tynd sandwich - blot et par atomlag tykt - som var nødvendig for at lave Josephson-dioden, og det var ikke muligt med normale 3D-materialer. Nb₃ Br₈ , er en del af en gruppe af nye kvantematerialer, der udvikles af vores samarbejdspartnere, professor Tyrel McQueens og hans gruppe ved Johns Hopkins University i USA, og var en nøglebrik i, at vi realiserede Josephson-dioden for første gang.

Spørgsmål:Hvad betyder denne opdagelse med hensyn til effekt og applikationer?

Mange teknologier er baseret på gamle versioner af JJ-superledere, for eksempel MRI-teknologi. Også kvanteberegning i dag er baseret på Josephson Junctions. Teknologi, som tidligere kun var mulig ved brug af halvledere, kan nu potentielt laves med superledere, der bruger denne byggeklods. Dette inkluderer hurtigere computere, som i computere med op til terahertz-hastighed, hvilket er 300 til 400 gange hurtigere end de computere, vi nu bruger. Dette vil påvirke alle mulige samfundsmæssige og teknologiske anvendelser. Hvis det 20. århundrede var halvledernes århundrede, kan det 21. blive superlederens århundrede.

Den første forskningsretning, vi skal tage fat på for kommerciel anvendelse, er at hæve driftstemperaturen. Her brugte vi en meget simpel superleder, der begrænsede driftstemperaturen. Nu vil vi arbejde med de kendte såkaldte High Tc Superconductors, og se om vi kan betjene Josephson-dioder ved temperaturer over 77 K, da dette vil give mulighed for flydende nitrogenkøling. Den anden ting at tage fat på er skalering af produktionen. Selvom det er fantastisk, at vi beviste, at dette virker i nanoenheder, lavede vi kun en håndfuld. Det næste skridt vil være at undersøge, hvordan man skalerer produktionen til millioner af Josephson-dioder på en chip.

Sp:Hvor sikker er du på din sag?

Der er flere trin, som alle videnskabsmænd skal tage for at opretholde videnskabelig stringens. Den første er at sikre, at deres resultater kan gentages. I dette tilfælde lavede vi mange enheder, fra bunden, med forskellige partier af materialer og fandt de samme egenskaber hver gang, selv når de blev målt på forskellige maskiner i forskellige lande af forskellige mennesker. Dette fortalte os, at Josephson-dioderesultatet kom fra vores kombination af materialer og ikke et falsk resultat af snavs, geometri, maskin- eller brugerfejl eller fortolkning.

Vi udførte også eksperimenter med rygevåben, der dramatisk indsnævrer muligheden for fortolkning. I dette tilfælde, for at være sikker på, at vi havde en superledende diodeeffekt, prøvede vi faktisk at skifte dioden; som i påførte vi den samme størrelse af strøm i både fremadgående og tilbagegående retninger og viste, at vi faktisk ikke målte nogen modstand (superledning) i den ene retning og reel modstand (normal ledningsevne) i den anden retning.

Vi målte også denne effekt, mens vi anvendte magnetiske felter af forskellig størrelse og viste, at effekten var tydeligt til stede ved 0 påført felt og bliver dræbt af et påført felt. Dette er også en rygende pistol for vores påstand om at have en superledende diodeeffekt ved nul-påført felt, et meget vigtigt punkt for teknologiske anvendelser. Dette skyldes, at magnetiske felter på nanometerskalaen er meget svære at kontrollere og begrænse, så til praktiske anvendelser ønskes det generelt at fungere uden at kræve lokale magnetfelter.

Sp:Er det realistisk for almindelige computere (eller endda supercomputere fra KNMI og IBM) at gøre brug af superledning?

Ja det er! Ikke for folk derhjemme, men for serverfarme eller for supercomputere, ville det være smart at implementere dette. Centraliseret beregning er virkelig, hvordan verden fungerer i dag. Enhver og al intensiv beregning udføres på centraliserede faciliteter, hvor lokalisering tilføjer enorme fordele i form af strømstyring, varmestyring osv. Den eksisterende infrastruktur kunne tilpasses uden for store omkostninger til at arbejde med Josephson diodebaseret elektronik. Der er en meget reel chance for, at dette vil revolutionere centraliseret og supercomputing, hvis udfordringerne diskuteret i det andet spørgsmål overvindes. + Udforsk yderligere

Grønne informationsteknologier:Superledning møder spintronik