Tecnologia Científica

Descoberta do supercondutor unidirecional, considerado impossível
A descoberta, publicada na Nature , faz uso de materiais quânticos 2D e abre caminho para a computação supercondutora. Os supercondutores podem tornar a eletrônica centenas de vezes mais rápida, tudo com zero perda de energia.
Por Universidade de Tecnologia de Delft - 27/04/2022


Impressão artística de um chip supercondutor. Crédito: TU Delft

O professor associado Mazhar Ali e seu grupo de pesquisa na TU Delft descobriram supercondutividade unidirecional sem campos magnéticos, algo que se pensava ser impossível desde sua descoberta em 1911 – até agora. A descoberta, publicada na Nature , faz uso de materiais quânticos 2D e abre caminho para a computação supercondutora. Os supercondutores podem tornar a eletrônica centenas de vezes mais rápida, tudo com zero perda de energia. Ali: "Se o século 20 foi o século dos semicondutores, o século 21 pode se tornar o século dos supercondutores."

Durante o século 20, muitos cientistas, incluindo vencedores do Prêmio Nobel, ficaram intrigados com a natureza da supercondutividade, que foi descoberta pelo físico holandês Kamerlingh Onnes em 1911. Nos supercondutores, uma corrente passa por um fio sem qualquer resistência, o que significa inibir essa corrente ou até mesmo bloqueá-lo é quase impossível — muito menos fazer a corrente fluir apenas em um sentido e não no outro. Que o grupo de Ali conseguiu tornar a supercondutora unidirecional – necessária para a computação – é notável: pode-se compará-lo a inventar um tipo especial de gelo que lhe dá zero atrito ao patinar de um jeito, mas atrito insuperável do outro.

Supercondutor: Super-rápido, super-verde

As vantagens de aplicar supercondutores à eletrônica são duas. Os supercondutores podem tornar a eletrônica centenas de vezes mais rápida, e a implementação de supercondutores em nossas vidas diárias tornaria a TI muito mais verde: se você girasse um fio supercondutor daqui até a lua, ele transportaria a energia sem nenhuma perda. Por exemplo, o uso de supercondutores em vez de semicondutores regulares pode proteger até 10% de todas as reservas de energia ocidentais de acordo com a NWO.

A (im)possibilidade de aplicar supercondutores

No século 20 e além, ninguém poderia enfrentar a barreira de fazer os elétrons supercondutores irem em apenas uma direção, o que é uma propriedade fundamental necessária para a computação e outros eletrônicos modernos (considere, por exemplo, diodos que seguem uma direção também). Na condução normal, os elétrons voam como partículas separadas; em supercondutores eles se movem em pares de dois, sem qualquer perda de energia elétrica. Nos anos 70, cientistas da IBM experimentaram a ideia de computação supercondutora, mas tiveram que parar seus esforços: em seus artigos sobre o assunto, a IBM menciona que sem supercondutividade não recíproca, um computador rodando em supercondutores é impossível.

Entrevista com o autor correspondente Mazhar Ali

P: Por que, quando a direção unidirecional funciona com semicondução normal, a supercondutividade unidirecional nunca funcionou antes?
 
A condução elétrica em semicondutores, como o Si, pode ser unidirecional por causa de um dipolo elétrico interno fixo, portanto, uma rede construída em potencial que eles podem ter. O exemplo do livro didático é a famosa junção pn; onde juntamos dois semicondutores: um tem elétrons extras (-) e o outro tem buracos extras (+). A separação de carga cria uma rede em potencial que um elétron voando através do sistema sentirá. Isso quebra a simetria e pode resultar em propriedades unidirecionais porque para frente e para trás, por exemplo, não são mais os mesmos. Há uma diferença em ir na mesma direção do dipolo versus ir contra ele; semelhante a se você estivesse nadando com o rio ou nadando rio acima.

Os supercondutores nunca tiveram um análogo dessa ideia unidirecional sem campo magnético ; uma vez que estão mais relacionados com metais (ou seja, condutores, como o próprio nome diz) do que com semicondutores, que sempre conduzem em ambas as direções e não possuem potencial embutido. Da mesma forma, Josephson Junctions (JJs), que são sanduíches de dois supercondutores com materiais de barreira clássicos não supercondutores entre os supercondutores, também não tiveram nenhum mecanismo particular de quebra de simetria que resultasse em uma diferença entre frente e para trás.

P: Como você conseguiu fazer o que a princípio parecia impossível?

Foi realmente o resultado de uma das direções fundamentais de pesquisa do meu grupo. No que chamamos de Junções de Josephson de Material Quântico (QMJJs), substituímos o material de barreira clássico em JJs por uma barreira de material quântico, onde as propriedades intrínsecas dos materiais quânticos podem modular o acoplamento entre os dois supercondutores de maneiras novas. O Diodo Josephson foi um exemplo disso: usamos o material quântico Nb 3 Br 8 , que é um material 2D como o grafeno que foi teorizado para hospedar um dipolo elétrico líquido, como nossa barreira de material quântico de escolha e o colocamos entre dois supercondutores .

Conseguimos retirar apenas algumas camadas atômicas deste Nb 3 Br 8 e fazer um sanduíche muito, muito fino - apenas algumas camadas atômicas de espessura - que era necessário para fazer o diodo Josephson, e não era possível com materiais 3D normais . Nb 3 Br 8 , faz parte de um grupo de novos materiais quânticos que estão sendo desenvolvidos por nossos colaboradores, o professor Tyrel McQueens e seu grupo na Johns Hopkins University nos EUA, e foi peça chave para nós realizarmos o diodo Josephson pela primeira vez.

P: O que essa descoberta significa em termos de impacto e aplicativos?

Muitas tecnologias são baseadas em versões antigas de supercondutores JJ, por exemplo, tecnologia de ressonância magnética. Além disso, a computação quântica hoje é baseada em Josephson Junctions. A tecnologia que antes só era possível usando semicondutores agora pode ser feita com supercondutores usando este bloco de construção. Isso inclui computadores mais rápidos, como em computadores com velocidade de até terahertz, que é 300 a 400 vezes mais rápido do que os computadores que estamos usando agora. Isso influenciará todos os tipos de aplicações sociais e tecnológicas. Se o século 20 foi o século dos semicondutores, o século 21 pode se tornar o século dos supercondutores.

A primeira direção de pesquisa que temos que enfrentar para aplicação comercial é aumentar a temperatura de operação. Aqui usamos um supercondutor muito simples que limitava a temperatura de operação. Agora queremos trabalhar com os conhecidos supercondutores de alta Tc e ver se podemos operar diodos Josephson em temperaturas acima de 77 K, pois isso permitirá o resfriamento do nitrogênio líquido. A segunda coisa a resolver é a escala de produção. Embora seja ótimo provarmos que isso funciona em nanodispositivos, fizemos apenas um punhado. O próximo passo será investigar como escalar a produção para milhões de diodos Josephson em um chip.

P: Você tem certeza do seu caso?

Existem vários passos que todos os cientistas precisam tomar para manter o rigor científico. A primeira é garantir que seus resultados sejam repetíveis. Nesse caso, fizemos muitos dispositivos, do zero, com diferentes lotes de materiais e encontramos as mesmas propriedades todas as vezes, mesmo quando medidos em máquinas diferentes em países diferentes por pessoas diferentes. Isso nos disse que o resultado do diodo Josephson estava vindo de nossa combinação de materiais e não de algum resultado espúrio de sujeira, geometria, máquina ou erro ou interpretação do usuário.

Também realizamos experimentos fumegantes que reduzem drasticamente a possibilidade de interpretação. Nesse caso, para ter certeza de que tínhamos um efeito de diodo supercondutor, tentamos trocar o diodo; como em aplicamos a mesma magnitude de corrente nas direções direta e reversa e mostramos que na verdade não medimos resistência (supercondutividade) em uma direção e resistência real (condutividade normal) na outra direção.

Também medimos esse efeito ao aplicar campos magnéticos de diferentes magnitudes e mostramos que o efeito estava claramente presente no campo aplicado 0 e é morto por um campo aplicado. Esta é também uma prova de fogo para nossa alegação de ter um efeito de diodo supercondutor em campo aplicado zero, um ponto muito importante para aplicações tecnológicas. Isso ocorre porque os campos magnéticos na escala nanométrica são muito difíceis de controlar e limitar, portanto, para aplicações práticas, geralmente é desejável operar sem a necessidade de campos magnéticos locais.

P: É realista para computadores comuns (ou mesmo os supercomputadores da KNMI e da IBM) fazer uso da supercondutora?

É sim! Não para pessoas em casa, mas para farms de servidores ou supercomputadores, seria inteligente implementar isso. A computação centralizada é realmente como o mundo funciona hoje em dia. Todo e qualquer cálculo intensivo é feito em instalações centralizadas onde a localização adiciona enormes benefícios em termos de gerenciamento de energia, gerenciamento de calor, etc. A infraestrutura existente pode ser adaptada sem muito custo para trabalhar com eletrônicos baseados em diodo Josephson. Há uma chance muito real, se os desafios discutidos na outra questão forem superados, de que isso revolucione a centralização e a supercomputação.

 

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