29 апреля 2022

Учёным Делфтского технологического университета удалось создать сверхпроводниковый диод

Команда из Делфтского технологического университета в Нидерландах добилась того, что ранее считалось невозможным: им удалось создать сверхпроводник, который позволяет току течь только в одном направлении. Это открытие может проложить путь к созданию нового поколения компьютеров и электронных устройств, для которых это свойство является основополагающим.

Явление сверхпроводимости было открыто в 1911 году физиком Хайке Камерлинг Оннесом. По определению, сверхпроводник способен проводить электрический ток без какого-либо сопротивления, то есть без потери энергии. Другими словами, в сверхпроводнике ток теоретически может течь почти бесконечно, поскольку энергия не рассеивается. Он также обладает свойством полностью исключать окружающее магнитное поле. Это явление происходит при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, и основано на образовании пар электронов (известных как пары Купера).

В отличие от этого, в стандартной электрической или электронной цепи при протекании тока электроны при движении встречают некоторое сопротивление (из-за взаимодействия с окружающими атомами), поэтому часть электрической энергии теряется в виде тепла. Именно по этой причине электроприборы становятся горячими на ощупь после нескольких минут работы. Если бы эти приборы работали на сверхпроводниках, они были бы не только более эффективными, но и гораздо более экономичными с точки зрения потребления электроэнергии.

Сверхпроводники могут сделать электронику в сотни раз быстрее, а их внедрение сделает вычислительную технику намного экологичнее. По данным Нидерландского исследовательского совета (NWO), использование сверхпроводников вместо обычных полупроводников может сэкономить до 10% всех западных запасов энергии.

Однако для того, чтобы это стало возможным, необходимо заставить сверхпроводящие электроны двигаться в цепях только в одном направлении, поскольку именно так работают компьютеры и электроника - задача, которая кажется невыполнимой, учитывая очень высокую проводимость сверхпроводников... Однако профессор Мажар Али и его исследовательская группа из Делфтского технологического университета добились удивительного результата: это все равно что изобрести тип льда, по которому можно кататься только в одном направлении!

"Если 20 век был веком полупроводника, то 21 век может стать веком сверхпроводника", — говорится в заявлении ученого.

Как отмечает физик, с полупроводниками такой проблемы не возникает: их проводимостью можно управлять с помощью легирования, которое заключается во включении небольшого количества примесей в материал для создания избытка или дефицита электронов. Различно легированные полупроводники могут быть соединены вместе для создания спаев:

"Классическим примером является так называемый "p-n-переход", когда два полупроводника соединяются вместе: один имеет дополнительные электроны (-), а другой - дополнительные дырки (+). Разделение зарядов создает чистый встроенный потенциал, который будет ощущать электрон, проходящий через систему. Это нарушает симметрию и может привести к появлению "односторонних" свойств", — объясняет Али.

Никогда не удавалось добиться подобного поведения без магнитного поля со сверхпроводниками, которые всегда проводят ток в обоих направлениях и не имеют встроенного потенциала. Но Али и его команда придумали использовать "квантовые джозефсоновские переходы". Джозефсоновские переходы представляют собой сборки двух сверхпроводников, разделенных непроводящим изолирующим или металлическим материалом; на этот раз они выбрали двумерный квантовый материал (такой, как графен) с формулой Nb3Br8 - часть группы новых квантовых материалов, разрабатываемых командой из Университета Джона Хопкинса в США.

Теория показала, что Nb3Br8 обладает чистым электрическим диполем. Расположенный между двумя слоями диселенида ниобия (NbSe2), он создал переход, который мог быть сверхпроводящим при положительном токе и резистивным при отрицательном.

Чтобы подтвердить свои результаты, исследователи попытались "переключить" диод, подавая ток одинаковой величины в обоих направлениях. Они показали, что измеряют отсутствие сопротивления (сверхпроводимость) в одном направлении, но реальное сопротивление (обычная проводимость) в другом. Они также убедились, что эффект возникает только при полном отсутствии магнитного поля - это особенно важно, поскольку магнитные поля в наномасштабе очень трудно контролировать и ограничивать, отмечает ученый.

Таким образом, технология, которая ранее была возможна только с полупроводниками, теперь может быть достигнута с помощью сверхпроводников. Этот новый подход может позволить разработать компьютеры, которые будут в 300-400 раз быстрее современных компьютеров. Однако до начала коммерческого применения остается еще одна проблема: повышение рабочей температуры спая (сверхпроводник, используемый в данном исследовании, требует температуры ниже -266 °C).

"Теперь мы хотим поработать с известными сверхпроводниками с "высокой критической температурой" и посмотреть, сможем ли мы эксплуатировать диоды Джозефсона при температуре выше 77 К (-196 °C), поскольку это позволит охлаждать их жидким азотом", — говорит Али в своем релизе.

Как только это будет сделано, нам еще предстоит найти способ производить эти компоненты в больших масштабах, чтобы иметь возможность получать чипы с миллионами диодов Джозефсона.