El profesor asociado Mazhar Ali y su grupo de investigación en TU Delft han descubierto la superconductividad unidireccional sin campos magnéticos, algo que se pensaba que era imposible desde su descubrimiento en 1911, hasta ahora. El descubrimiento, publicado en Nature , hace uso de materiales cuánticos 2D y allana el camino hacia la computación superconductora. Los superconductores pueden hacer que la electrónica sea cientos de veces más rápida, todo sin pérdida de energía. Ali:"Si el siglo XX fue el siglo de los semiconductores, el XXI puede convertirse en el siglo de los superconductores".

Durante el siglo XX, muchos científicos, incluidos los ganadores del Premio Nobel, se han preguntado por la naturaleza de la superconductividad, que fue descubierta por el físico holandés Kamerlingh Onnes en 1911. En los superconductores, una corriente pasa a través de un cable sin resistencia, lo que significa inhibir esta corriente. o incluso bloquearlo es casi imposible, y mucho menos hacer que la corriente fluya solo en un sentido y no en el otro. Que el grupo de Ali haya logrado hacer superconductor unidireccional (necesario para la computación) es notable:uno puede compararlo con la invención de un tipo especial de hielo que te brinda cero fricción cuando patinas en un sentido, pero una fricción insuperable en el otro sentido.

Superconductor:súper rápido, súper ecológico

Las ventajas de aplicar superconductores a la electrónica son dos. Los superconductores pueden hacer que la electrónica sea cientos de veces más rápida, y la implementación de superconductores en nuestra vida diaria haría que la TI fuera mucho más ecológica:si hicieras girar un cable superconductor desde aquí hasta la luna, transportaría la energía sin ninguna pérdida. Por ejemplo, el uso de superconductores en lugar de semiconductores regulares podría proteger hasta el 10 % de todas las reservas de energía occidentales según NWO.

La (im)posibilidad de aplicar superconductores

En el siglo XX y más allá, nadie pudo superar la barrera de hacer que los electrones superconductores vayan en una sola dirección, que es una propiedad fundamental necesaria para la informática y otros dispositivos electrónicos modernos (considere, por ejemplo, los diodos que también van en una dirección). En conducción normal, los electrones vuelan como partículas separadas; en los superconductores se mueven en pares de dos, sin pérdida de energía eléctrica. En los años 70, los científicos de IBM probaron la idea de la computación superconductora, pero tuvieron que detener sus esfuerzos:en sus artículos sobre el tema, IBM menciona que sin superconductividad no recíproca, una computadora que funcione con superconductores es imposible.

Entrevista con el autor correspondiente Mazhar Ali

P:¿Por qué, cuando la dirección unidireccional funciona con semiconductores normales, la superconductividad unidireccional nunca había funcionado antes?

La conducción eléctrica en los semiconductores, como el Si, puede ser unidireccional debido a un dipolo eléctrico interno fijo, por lo que pueden tener un potencial neto incorporado. El ejemplo del libro de texto es el famoso cruce pn; donde juntamos dos semiconductores:uno tiene electrones extra (-) y el otro tiene agujeros extra (+). La separación de carga crea un potencial integrado que un electrón que vuela a través del sistema sentirá. Esto rompe la simetría y puede dar como resultado propiedades unidireccionales porque, por ejemplo, adelante y atrás, ya no son lo mismo. Hay una diferencia entre ir en la misma dirección que el dipolo y ir en contra; similar a si estuvieras nadando con el río o nadando río arriba.

Los superconductores nunca tuvieron un análogo de esta idea unidireccional sin campo magnético; ya que están más relacionados con los metales (es decir, los conductores, como su nombre lo dice) que con los semiconductores, que siempre conducen en ambas direcciones y no tienen ningún potencial incorporado. De manera similar, Josephson Junctions (JJ), que son sándwiches de dos superconductores con materiales de barrera clásicos no superconductores entre los superconductores, tampoco han tenido ningún mecanismo particular de ruptura de simetría que resulte en una diferencia entre adelante y atrás.

P:¿Cómo conseguiste hacer lo que al principio parecía imposible?

Fue realmente el resultado de una de las direcciones fundamentales de investigación de mi grupo. En lo que llamamos Quantum Material Josephson Junctions (QMJJ), reemplazamos el material de barrera clásico en JJ con una barrera de material cuántico, donde las propiedades intrínsecas de los materiales cuánticos pueden modular el acoplamiento entre los dos superconductores de formas novedosas. El Diodo Josephson fue un ejemplo de esto:usamos el material cuántico Nb₃ hermano₈ , que es un material 2D como el grafeno que se ha teorizado para albergar un dipolo eléctrico neto, como nuestra barrera material cuántica de elección y lo colocó entre dos superconductores.

Pudimos despegar solo un par de capas atómicas de este Nb₃ hermano₈ y hacer un emparedado muy, muy delgado, de solo unas pocas capas atómicas de espesor, que se necesitaba para fabricar el diodo Josephson, y que no era posible con los materiales 3D normales. Número₃ hermano₈ , es parte de un grupo de nuevos materiales cuánticos que están siendo desarrollados por nuestros colaboradores, el profesor Tyrel McQueens y su grupo en la Universidad Johns Hopkins en los EE. UU., y fue una pieza clave en la realización del diodo Josephson por primera vez.

P:¿Qué significa este descubrimiento en términos de impacto y aplicaciones?

Muchas tecnologías se basan en versiones antiguas de los superconductores JJ, por ejemplo, la tecnología MRI. Además, la computación cuántica actual se basa en Josephson Junctions. La tecnología que anteriormente solo era posible utilizando semiconductores ahora puede fabricarse potencialmente con superconductores utilizando este bloque de construcción. Esto incluye computadoras más rápidas, como computadoras con una velocidad de hasta terahercios, que es de 300 a 400 veces más rápida que las computadoras que usamos ahora. Esto influirá en todo tipo de aplicaciones sociales y tecnológicas. Si el siglo XX fue el siglo de los semiconductores, el XXI puede convertirse en el siglo de los superconductores.

La primera dirección de investigación que tenemos que abordar para la aplicación comercial es aumentar la temperatura de funcionamiento. Aquí usamos un superconductor muy simple que limitaba la temperatura de operación. Ahora queremos trabajar con los llamados superconductores de alta Tc y ver si podemos operar diodos Josephson a temperaturas superiores a 77 K, ya que esto permitirá el enfriamiento con nitrógeno líquido. La segunda cosa a abordar es la escala de producción. Si bien es genial que hayamos demostrado que esto funciona en nanodispositivos, solo hicimos un puñado. El siguiente paso será investigar cómo escalar la producción a millones de diodos Josephson en un chip.

P:¿Qué tan seguro está de su caso?

Hay varios pasos que todos los científicos deben tomar para mantener el rigor científico. El primero es asegurarse de que sus resultados sean repetibles. En este caso, fabricamos muchos dispositivos, desde cero, con diferentes lotes de materiales, y siempre encontramos las mismas propiedades, incluso cuando las medimos en diferentes máquinas en diferentes países por diferentes personas. Esto nos dijo que el resultado del diodo Josephson provenía de nuestra combinación de materiales y no de algún resultado espurio de suciedad, geometría, error o interpretación de la máquina o del usuario.

También llevamos a cabo experimentos de pistola humeante que reducen drásticamente la posibilidad de interpretación. En este caso, para asegurarnos de que teníamos un efecto de diodo superconductor, en realidad intentamos cambiar el diodo; ya que aplicamos la misma magnitud de corriente tanto en dirección directa como inversa y demostramos que en realidad no medimos resistencia (superconductividad) en una dirección y resistencia real (conductividad normal) en la otra dirección.

También medimos este efecto mientras aplicamos campos magnéticos de diferentes magnitudes y mostramos que el efecto estaba claramente presente en el campo aplicado 0 y es eliminado por un campo aplicado. Esta es también una prueba irrefutable de nuestra afirmación de tener un efecto de diodo superconductor en un campo aplicado cero, un punto muy importante para las aplicaciones tecnológicas. Esto se debe a que los campos magnéticos a escala nanométrica son muy difíciles de controlar y limitar, por lo que, para aplicaciones prácticas, generalmente se desea operar sin necesidad de campos magnéticos locales.

P:¿Es realista que las computadoras ordinarias (o incluso las supercomputadoras de KNMI e IBM) utilicen superconductores?

¡Sí, lo es! No para las personas en el hogar, sino para las granjas de servidores o para las supercomputadoras, sería inteligente implementar esto. La computación centralizada es realmente cómo funciona el mundo hoy en día. Todos y cada uno de los cálculos intensivos se realizan en instalaciones centralizadas donde la localización agrega enormes beneficios en términos de administración de energía, administración del calor, etc. La infraestructura existente podría adaptarse sin demasiado costo para trabajar con la electrónica basada en diodos de Josephson. Existe una posibilidad muy real, si se superan los desafíos discutidos en la otra pregunta, de que esto revolucionará la computación centralizada y la supercomputación. + Explora más

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