Учёные открыли «невозможный» односторонний сверхпроводник
Доцент Мазхар Али и его исследовательская группа в Техническом университете Делфта открыли одностороннюю сверхпроводимость без магнитных полей, что считалось невозможным с момента начала изучения явления в 1911 году. Открытие, опубликованное в журнале Nature, использует двумерные квантовые материалы, которые в перспективе могут сделать сверхпроводящие вычисления реальностью.
Художественное изображение сверхпроводящего чипа
Учёный отмечает, что сверхпроводники могут сделать электронику в сотни раз быстрее с нулевыми потерями энергии: «Если 20-й век был веком полупроводников, то 21-й может стать веком сверхпроводников».
На протяжении ХХ века многие ученые, в том числе лауреаты Нобелевской премии, ломали голову над природой сверхпроводимости, открытой голландским физиком Камерлинг-Оннесом в 1911 году. В сверхпроводниках ток проходит по проводу без какого-либо сопротивления, а значит, заблокировать его вряд ли возможно, не говоря уже о том, чтобы ток протекал только в одну сторону. Группе Али удалось сделать сверхпроводник однонаправленным.
Преимущества применения сверхпроводников в электронике двояки: они могут сделать электронику в сотни раз быстрее, а внедрение сверхпроводников в нашу повседневную жизнь сделало бы IT намного более экологичным. Так, по данным NWO, использование сверхпроводников вместо обычных полупроводников может сохранить до 10% всех западных энергетических запасов.
В 20-м веке и позже никто не мог преодолеть барьер, заставляющий сверхпроводящие электроны двигаться только в одном направлении, что является фундаментальным свойством, необходимым для вычислений. При нормальной проводимости электроны летают как отдельные частицы; в сверхпроводниках они движутся парами по двое без потери электрической энергии. В 70-х годах ученые IBM опробовали идею сверхпроводящих вычислений, но им пришлось прекратить свои усилия.
Али отмечает, что «электропроводность в полупроводниках, таких как Si, может быть односторонней из-за фиксированного внутреннего электрического диполя, поэтому они могут иметь встроенный потенциал». По его словам, разделение заряда создает сетку встроенного потенциала, который почувствует пролетающий через систему электрон. Это нарушает симметрию и может привести к появлению «односторонних» свойств.
Учёный говорит, что в сфере сверхпроводников идея однонаправленности без магнитного поля была непопулярна; поскольку они больше связаны с металлами, чем с полупроводниками, которые всегда проводят в обоих направлениях и не имеют встроенного потенциала. Точно так же джозефсоновский переход (JJ) из двух сверхпроводников с несверхпроводящими классическими барьерными материалами не имел какого-либо особого механизма нарушения симметрии. Однако Али решил изучить этот момент. В «джозефсоновском переходе из квантового материала» (QMJJ) классический барьерный материал заменили барьером из квантового материала, внутренние свойства которого могут модулировать связь между двумя сверхпроводниками новыми способами. Примером выступил диод Джозефсона, где использовался квантовый материал Nb3Br8, двумерный и подобный графену, который, как предполагалось, содержит чистый электрический диполь.
«Мы смогли отделить всего пару атомных слоев этого Nb3Br8 и сделать очень, очень тонкий сэндвич — толщиной всего в несколько атомных слоев — который был необходим для изготовления джозефсоновского диода и был невозможен с обычными трехмерными материалами. Nb3Br8 является частью группы новых квантовых материалов, разрабатываемых нашими сотрудниками, профессором Тайрелом Маккуином и его группой из Университета Джона Хопкинса в США, и сыграл ключевую роль в нашей первой реализации диода Джозефсона», — отмечает Али.
Учёный говорит, что теперь предстоит заняться повышением рабочей температуры. Для этого придется поработать с так называемыми «высокотемпературными сверхпроводниками» и выяснить, можно ли эксплуатировать джозефсоновские диоды при температурах выше 77 К, поскольку это позволит охлаждать их жидким азотом. Вторая задача, которую нужно решить, — это масштабирование производства. Пока учёные показали, что это работает в наноустройствах, но им потребуется масштабировать производство до миллионов джозефсоновских диодов на кристалле.
Али утверждает, что его команда создала «множество устройств с нуля из разных партий материалов и каждый раз обнаруживала одни и те же свойства, даже при измерении на разных машинах в разных странах разными людьми».
Также, чтобы убедиться, что учёные получили эффект сверхпроводящего диода, они попытались «переключить» его, применив одинаковую величину тока как в прямом, так и в обратном направлении. Этот же эффект применили при приложении магнитных полей разной величины. Эксперимент показал, что он явно присутствует при нулевом поле.
Али уверен, что сверхпроводники будет возможно использовать для серверных и суперкомпьютеров, а существующую инфраструктуру можно без особых затрат адаптировать для работы с электроникой на основе диодов Джозефсона.
В 2020 году учёные сообщили, что они создали первый в мире сверхпроводник, который способен работать при комнатной температуре. Это порошкообразный материал, проводящий электричество с нулевым сопротивлением. Углеродистый гидрид серы становится сверхпроводником при 15 °C. Однако сам порошок должен быть измельчен под давлением почти 270 гигапаскалей, что равняется примерно в 2,6 млн земных атмосфер.
В начале 2021 года исследователи из Йокогамского государственного университета разработали прототип микропроцессора на сверхпроводниках, который потребляет в 80 раз меньше энергии, чем современные полупроводниковые устройства. Команда разработала энергоэффективную сверхпроводящую электронную структуру — адиабатический квантовый параметрон (AQFP). Учёные доказали, что AQFP может выполнять высокоскоростные вычисления, разработав и испытав прототип 4-битного адиабатического сверхпроводящего микропроцессора под названием MANA (Monolithic Adiabatic iNtegration Architecture).
