Das Team entwickelt ein einfaches supraleitendes Gerät, das den Energieverbrauch beim Rechnen drastisch senken könnte

MIT-Wissenschaftler und Kollegen haben ein einfaches supraleitendes Gerät entwickelt, das Strom viel effizienter durch elektronische Geräte übertragen könnte, als es heute möglich ist. Infolgedessen könnte die neue Diode, eine Art Schalter, den Energieverbrauch in Hochleistungsrechnersystemen drastisch senken – ein großes Problem, das sich Schätzungen zufolge noch verschlimmern wird.

Obwohl sie sich noch im Anfangsstadium der Entwicklung befindet, ist die Diode mehr als doppelt so effizient wie ähnliche, von anderen berichtete Dioden. Es könnte sogar ein integraler Bestandteil neuer Quantencomputertechnologien sein. Die Arbeit, über die in der Online-Ausgabe vom 13. Juli berichtet wird Briefe zur körperlichen Untersuchungist auch Gegenstand einer Nachrichtenmeldung in Physikmagazin.

„Diese Arbeit zeigt, dass die supraleitende Diode aus technischer Sicht ein vollständig gelöstes Problem ist“, sagt Philip Moll, Direktor des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie in Deutschland. Moll war an der Arbeit nicht beteiligt. „Die Schönheit von [this] Arbeit ist das [Moodera and colleagues] erreichten Rekordeffizienzen, ohne es überhaupt zu versuchen [and] Ihre Strukturen sind noch lange nicht optimiert.“

„Unsere Entwicklung eines supraleitenden Diodeneffekts, der robust ist und in einfachen Systemen über einen weiten Temperaturbereich arbeiten kann und möglicherweise die Tür für neuartige Technologien öffnet“, sagt Jagadeesh Moodera, Leiter der aktuellen Arbeit und leitender Forschungswissenschaftler in der Abteilung für Physik. Moodera ist außerdem mit dem Materials Research Laboratory, dem Francis Bitter Magnet Laboratory und dem Plasma Science and Fusion Center (PSFC) verbunden.

Die nanoskopische rechteckige Diode – etwa 1.000 Mal dünner als der Durchmesser eines menschlichen Haares – ist leicht skalierbar. Auf einem einzigen Siliziumwafer könnten Millionen hergestellt werden.

Auf dem Weg zu einem supraleitenden Schalter

Dioden, Geräte, die den Stromfluss in eine Richtung, aber nicht in die umgekehrte Richtung ermöglichen, sind in Computersystemen allgegenwärtig. Moderne Halbleiter-Computerchips enthalten Milliarden von diodenähnlichen Bauelementen, die als Transistoren bekannt sind. Aufgrund des elektrischen Widerstands können diese Geräte jedoch sehr heiß werden und erfordern große Energiemengen, um die Hochleistungssysteme in den Rechenzentren hinter unzähligen modernen Technologien, einschließlich Cloud Computing, zu kühlen.

Laut a Nachrichtenfeature 2018 In Naturkönnten diese Systeme in 10 Jahren fast 20 % des weltweiten Stroms verbrauchen.

Daher ist die Arbeit an der Herstellung von Dioden aus Supraleitern ein heißes Thema in der Physik der kondensierten Materie. Das liegt daran, dass Supraleiter unterhalb einer bestimmten niedrigen Temperatur (der kritischen Temperatur) Strom ohne Widerstand übertragen und daher viel effizienter sind als ihre halbleitenden Verwandten, die einen spürbaren Energieverlust in Form von Wärme aufweisen.

Andere Herangehensweisen an das Problem basierten bisher jedoch auf weitaus komplizierterer Physik. „Der Effekt, den wir gefunden haben, ist bedingt.“ [in part] zu einer allgegenwärtigen Eigenschaft von Supraleitern, die auf sehr einfache und unkomplizierte Weise realisiert werden kann. Es starrt einem einfach ins Gesicht“, sagt Moodera.

Moll vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie sagt: „Die Arbeit ist ein wichtiger Kontrapunkt zur aktuellen Mode, supraleitende Dioden zu assoziieren.“ [with] exotische Physik, wie z. B. endliche Impulspaarungszustände. Während in Wirklichkeit eine supraleitende Diode ein häufiges und weit verbreitetes Phänomen ist, das in klassischen Materialien aufgrund bestimmter gebrochener Symmetrien auftritt.“

Eine etwas zufällige Entdeckung

Im Jahr 2020 beobachteten Moodera und Kollegen Hinweise auf ein exotisches Teilchenpaar, das als Majorana-Fermionen bekannt ist. Diese Teilchenpaare könnten zu einer neuen Familie topologischer Qubits führen, den Bausteinen von Quantencomputern. Während das Team über Ansätze zur Herstellung supraleitender Dioden nachdachte, erkannte es, dass die Materialplattform, die es für die Majorana-Arbeit entwickelt hatte, auch auf das Diodenproblem angewendet werden könnte.

Sie hatten Recht. Auf dieser allgemeinen Plattform entwickelten sie verschiedene Iterationen supraleitender Dioden, von denen jede effizienter war als die andere. Die erste bestand beispielsweise aus einer nanoskopisch dünnen Schicht aus Vanadium, einem Supraleiter, die in eine Struktur gebracht wurde, die in der Elektronik üblich ist (der Hall-Stab). Als sie ein winziges Magnetfeld anlegten, das mit dem Erdmagnetfeld vergleichbar war, beobachteten sie den Diodeneffekt – eine riesige Polaritätsabhängigkeit des Stromflusses.

Dann schufen sie eine weitere Diode, dieses Mal schichteten sie einen Supraleiter mit einem Ferromagneten (in ihrem Fall einem ferromagnetischen Isolator), einem Material, das sein eigenes winziges Magnetfeld erzeugt. Nachdem sie ein winziges Magnetfeld angelegt hatten, um den Ferromagneten so zu magnetisieren, dass er sein eigenes Feld erzeugte, fanden sie einen noch größeren Diodeneffekt, der auch nach dem Ausschalten des ursprünglichen Magnetfelds stabil blieb.

Allgegenwärtige Eigenschaften

Das Team machte sich daran, herauszufinden, was los war.

Neben der widerstandslosen Stromübertragung haben Supraleiter noch andere, weniger bekannte, aber ebenso allgegenwärtige Eigenschaften. Beispielsweise mögen sie es nicht, wenn Magnetfelder in ihr Inneres eindringen. Wenn Supraleiter einem winzigen Magnetfeld ausgesetzt werden, erzeugen sie einen internen Suprastrom, der einen eigenen magnetischen Fluss induziert, der das äußere Feld aufhebt und so ihren supraleitenden Zustand aufrechterhält.

Man kann sich dieses als Meissner-Screening-Effekt bekannte Phänomen so vorstellen, dass das Immunsystem unseres Körpers Antikörper freisetzt, um die Infektion durch Bakterien und andere Krankheitserreger zu bekämpfen. Dies funktioniert jedoch nur bis zu einer gewissen Grenze. Ebenso können Supraleiter große Magnetfelder nicht vollständig abhalten.

Die vom Team entwickelten Dioden nutzen diesen universellen Meissner-Abschirmeffekt. Das von ihnen angelegte winzige Magnetfeld – entweder direkt oder durch die angrenzende ferromagnetische Schicht – aktiviert den Abschirmstrommechanismus des Materials, um das äußere Magnetfeld auszutreiben und die Supraleitung aufrechtzuerhalten.

Das Team fand außerdem heraus, dass ein weiterer Schlüsselfaktor bei der Optimierung dieser Supraleiterdioden winzige Unterschiede zwischen den beiden Seiten oder Kanten der Diodenvorrichtungen sind. Diese Unterschiede „erzeugen eine Art Asymmetrie in der Art und Weise, wie das Magnetfeld in den Supraleiter eintritt“, sagt Moodera.

Durch die Entwicklung einer eigenen Form von Kanten an Dioden, um diese Unterschiede zu optimieren – zum Beispiel eine Kante mit Sägezahnmerkmalen, während die andere Kante nicht absichtlich verändert wurde – stellte das Team fest, dass sie den Wirkungsgrad von 20 % auf über 50 % steigern konnten. Diese Entdeckung öffnet die Tür für Geräte, deren Kanten für noch höhere Effizienzen „abgestimmt“ werden könnten, sagt Moodera.

Zusammenfassend stellte das Team fest, dass die Kantenasymmetrien innerhalb supraleitender Dioden, der allgegenwärtige Meissner-Abschirmeffekt, der in allen Supraleitern zu finden ist, und eine dritte Eigenschaft von Supraleitern, die als Vortex-Pinning bekannt ist, zusammenkamen, um den Diodeneffekt zu erzeugen.

„Es ist faszinierend zu sehen, wie unauffällige und dennoch allgegenwärtige Faktoren einen signifikanten Effekt bei der Beobachtung des Diodeneffekts hervorrufen können“, sagt Yasen Hou, Erstautor der Arbeit und Postdoktorand am Francis Bitter Magnet Laboratory und am PSFC. „Was noch spannender ist, ist das [this work] bietet einen unkomplizierten Ansatz mit großem Potenzial zur weiteren Effizienzsteigerung.“

Christoph Strunk ist Professor an der Universität Regensburg in Deutschland. Strunk, der nicht an der Forschung beteiligt war, sagt: „Die vorliegende Arbeit zeigt, dass der Suprastrom in einfachen supraleitenden Streifen nichtreziprok werden kann. Darüber hinaus kann der Diodeneffekt in Kombination mit einem ferromagnetischen Isolator sogar ohne diesen aufrechterhalten werden.“ ein äußeres Magnetfeld.“

„Die Gleichrichtungsrichtung lässt sich durch die remanente Magnetisierung der magnetischen Schicht programmieren, was ein hohes Potenzial für zukünftige Anwendungen haben könnte. Die Arbeit ist sowohl aus der Grundlagenforschung als auch aus Anwendungssicht wichtig und reizvoll.“

Moodera bemerkte, dass die beiden Forscher, die die technischen Kanten entwickelten, dies während eines Sommers in Mooderas Labor taten, während sie noch in der High School waren. Es handelt sich um Ourania Glezakou-Elbert aus Richland, Washington, die diesen Herbst nach Princeton gehen wird, und Amith Varambally aus Vestavia Hills, Alabama, die das California Institute of Technology besuchen wird.