Открытие одностороннего сверхпроводника считалось невозможным

Доцент Мазхар Али и его исследовательская группа в Техническом университете Делфта открыли одностороннюю сверхпроводимость без магнитных полей, что считалось невозможным с момента его открытия в 1911 году и до сего дня. Открытие, опубликованное в журнале Nature, использует двумерные квантовые материалы и прокладывает путь к сверхпроводящим вычислениям. Сверхпроводники могут сделать электронику в сотни раз быстрее, и все это с нулевыми потерями энергии. Али: «Если 20-й век был веком полупроводников, 21-й может стать веком сверхпроводников».

В течение 20 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, тормозит этот ток или даже заблокировать его вряд ли возможно, не говоря уже о том, чтобы ток протекал только в одну сторону, а не в другую. То, что группе Али удалось сделать сверхпроводник однонаправленным, необходимым для вычислений, примечательно: это можно сравнить с изобретением особого типа льда, который обеспечивает нулевое трение при катании в одну сторону и непреодолимое трение в другую.

Сверхпроводник: сверхбыстрый, сверхзеленый

Преимущества применения сверхпроводников в электронике двояки. Сверхпроводники могут сделать электронику в сотни раз быстрее, а внедрение сверхпроводников в нашу повседневную жизнь сделало бы ИТ намного более экологичным: если бы вы протянули сверхпроводящий провод отсюда до Луны, он бы передавал энергию без каких-либо потерь. Например, по данным NWO, использование сверхпроводников вместо обычных полупроводников может сохранить до 10% всех западных энергетических запасов.

(Не)возможность применения сверхпроводимости

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 и другой современной электроники (вспомните, например, диоды, которые также движутся в одном направлении). 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: в своих статьях на эту тему IBM упоминает, что без невзаимной сверхпроводимости компьютер, работающий на сверхпроводниках, невозможен.

Интервью с автором-корреспондентом Мазхаром Али

Вопрос: Почему, когда одностороннее направление работает с нормальной полупроводимостью, односторонняя сверхпроводимость никогда раньше не работала?

Электрическая проводимость в полупроводниках, таких как Si, может быть односторонней из-за фиксированного внутреннего электрического диполя, поэтому они могут иметь встроенный потенциал. Пример из учебника — знаменитый p-n-переход; где мы соединяем два полупроводника: в одном есть лишние электроны (-), а в другом лишние дырки (+). Разделение заряда создает сетку встроенного потенциала, который почувствует пролетающий через систему электрон. Это нарушает симметрию и может привести к односторонним свойствам, потому что, например, вперед и назад уже не одно и то же. Есть разница в движении в том же направлении, что и диполь, и в движении против него; подобно тому, как если бы вы плыли по реке или плыли вверх по реке.

У сверхпроводников никогда не было аналога этой однонаправленной идеи без магнитного поля; поскольку они больше связаны с металлами (то есть проводниками, как следует из названия), чем с полупроводниками, которые всегда проводят в обоих направлениях и не имеют встроенного потенциала. Точно так же переходы Джозефсона (JJ), которые представляют собой сэндвичи из двух сверхпроводников с несверхпроводящими классическими барьерными материалами между сверхпроводниками, также не имели какого-либо особого механизма нарушения симметрии, который приводил к разнице между прямым и обратным.

Вопрос: Как вам удалось сделать то, что сначала казалось невозможным?

На самом деле это был результат одного из фундаментальных направлений исследований моей группы. В том, что мы называем переходами Джозефсона из квантового материала (QMJJ), мы заменяем классический барьерный материал в JJ барьером из квантового материала, где внутренние свойства квантовых материалов могут модулировать связь между двумя сверхпроводниками новыми способами. Диод Джозефсона был примером этого: мы использовали квантовый материал Nb3Br8, который представляет собой двумерный материал, подобный графену, который, как предполагалось, содержит чистый электрический диполь, в качестве нашего предпочтительного барьера из квантового материала и поместили его между двумя сверхпроводниками.

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 Маккуинсом и его группой в Университете Джона Хопкинса в США, и был ключевым элементом в нашей первой реализации диода Джозефсона.

Вопрос: Что означает это открытие с точки зрения воздействия и приложений?

Многие технологии основаны на старых версиях сверхпроводников JJ, например технология МРТ. Кроме того, квантовые вычисления сегодня основаны на соединениях Джозефсона. Технологии, которые ранее были возможны только с использованием полупроводников, теперь потенциально могут быть реализованы с использованием сверхпроводников с использованием этого строительного блока. Это включает в себя более быстрые компьютеры, такие как компьютеры со скоростью до терагерца, что в 300-400 раз быстрее, чем компьютеры, которые мы сейчас используем. Это повлияет на все виды социальных и технологических приложений. Если 20 век был веком полупроводников, то 21 век может стать веком сверхпроводников.

Первое направление исследований, которым мы должны заняться для коммерческого применения, — это повышение рабочей температуры. Здесь мы использовали очень простой сверхпроводник, который ограничивал рабочую температуру. Теперь мы хотим поработать с известными так называемыми высокотемпературными сверхпроводниками и посмотреть, сможем ли мы эксплуатировать джозефсоновские диоды при температурах выше 77 К, поскольку это позволит охлаждать их жидким азотом. Второе, что нужно решить, — это масштабирование производства. Хотя здорово, что мы доказали, что это работает в наноустройствах, мы сделали лишь несколько. Следующим шагом будет исследование того, как масштабировать производство до миллионов джозефсоновских диодов на кристалле.

Вопрос: Насколько вы уверены в своем случае?

Есть несколько шагов, которые должны предпринять все ученые, чтобы сохранить научную строгость. Во-первых, убедиться, что их результаты воспроизводимы. В этом случае мы сделали множество устройств с нуля из разных партий материалов и каждый раз обнаруживали одни и те же свойства, даже при измерении на разных машинах в разных странах разными людьми. Это говорит нам о том, что результат диода Джозефсона был получен из нашей комбинации материалов, а не из-за какого-то ложного результата грязи, геометрии, ошибки машины или пользователя или интерпретации.

Мы также провели эксперименты с дымящимся пистолетом, которые резко сужают возможности интерпретации. В этом случае, чтобы убедиться, что у нас есть эффект сверхпроводящего диода, мы действительно попытались переключить диод; например, мы применили одинаковую величину тока как в прямом, так и в обратном направлении и показали, что фактически мы не измеряли сопротивление (сверхпроводимость) в одном направлении и реальное сопротивление (нормальная проводимость) в другом направлении.

Мы также измерили этот эффект при приложении магнитных полей разной величины и показали, что эффект явно присутствует при нулевом приложенном поле и подавляется приложенным полем. Это также неопровержимое доказательство нашего утверждения о наличии эффекта сверхпроводящего диода при нулевом приложенном поле, что очень важно для технологических приложений. Это связано с тем, что магнитные поля в нанометровом масштабе очень трудно контролировать и ограничивать, поэтому для практических приложений обычно желательно работать, не требуя локальных магнитных полей.

Вопрос: Реально ли для обычных компьютеров (или даже суперкомпьютеров KNMI и IBM) использовать сверхпроводимость?

Да, это! Не для людей дома, а для ферм серверов или для суперкомпьютеров было бы разумно реализовать это. Централизованные вычисления — это то, как сегодня устроен мир. Любые интенсивные вычисления выполняются на централизованных объектах, где локализация дает огромные преимущества с точки зрения управления питанием, управлением теплом и т. д. Существующая инфраструктура может быть адаптирована без особых затрат для работы с электроникой на основе диодов Джозефсона. Существует вполне реальный шанс, что если проблемы, обсуждаемые в другом вопросе, будут преодолены, это произведет революцию в области централизованных и суперкомпьютерных вычислений.

Источник