O professor associado Mazhar Ali e seu grupo de pesquisa na TU Delft descobriram supercondutividade unidirecional sem campos magnanãticos, algo que se pensava ser impossí­vel desde sua descoberta em 1911 osatéagora. A descoberta, publicada na Nature , faz uso de materiais qua¢nticos 2D e abre caminho para a computação supercondutora. Os supercondutores podem tornar a eletra´nica 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 Praªmio Nobel, ficaram intrigados com a natureza da supercondutividade, que foi descoberta pelo fa­sico holandaªs Kamerlingh Onnes em 1911. Nos supercondutores, uma corrente passa por um fio sem qualquer resistência, o que significa inibir essa corrente ou atémesmo bloquea¡-lo équase 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 osnecessa¡ria para a computação osénota¡vel: pode-se compara¡-lo a inventar um tipo especial de gelo que lhe da¡ zero atrito ao patinar de um jeito, mas atrito insupera¡vel do outro.

As vantagens de aplicar supercondutores a  eletra´nica são duas. Os supercondutores podem tornar a eletra´nica centenas de vezes mais rápida, e a implementação de supercondutores em nossas vidas dia¡rias tornaria a TI muito mais verde: se vocêgirasse um fio supercondutor daqui atéa lua, ele transportaria a energia sem nenhuma perda. Por exemplo, o uso de supercondutores em vez de semicondutores regulares pode proteger até10% de todas as reservas de energia ocidentais de acordo com a NWO.

No século 20 e além , ninguanãm poderia enfrentar a barreira de fazer os elanãtrons supercondutores irem em apenas uma direção, o que éuma propriedade fundamental necessa¡ria para a computação e outros eletra´nicos modernos (considere, por exemplo, diodos que seguem uma direção também). Na condução normal, os elanãtrons voam comopartículas separadas; em supercondutores eles se movem em pares de dois, sem qualquer perda de energia elanãtrica. 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 reca­proca, um computador rodando em supercondutores éimpossí­vel.

A condução elanãtrica em semicondutores, como o Si, pode ser unidirecional por causa de um dipolo elanãtrico interno fixo, portanto, uma rede construa­da em potencial que eles podem ter. O exemplo do livro dida¡tico éa famosa junção pn; onde juntamos dois semicondutores: um tem elanãtrons extras (-) e o outro tem buracos extras (+). A separação de carga cria uma rede em potencial que um elanãtron voando atravanãs do sistema sentira¡. Isso quebra a simetria e pode resultar em propriedades unidirecionais porque para frente e para trás, por exemplo, não são mais os mesmos. Ha¡ uma diferença em ir na mesma direção do dipolo versus ir contra ele; semelhante a se vocêestivesse nadando com o rio ou nadando rio acima.

Os supercondutores nunca tiveram um ana¡logo dessa ideia unidirecional sem campo magnético ; uma vez que estãomais relacionados com metais (ou seja, condutores, como o pra³prio 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 sandua­ches de dois supercondutores com materiais de barreira cla¡ssicos 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.

Foi realmente o resultado de uma das direções fundamentais de pesquisa do meu grupo. No que chamamos de Junções de Josephson de Material Qua¢ntico (QMJJs), substitua­mos o material de barreira cla¡ssico em JJs por uma barreira de material qua¢ntico, onde as propriedades intra­nsecas dos materiais qua¢nticos podem modular o acoplamento entre os dois supercondutores de maneiras novas. O Diodo Josephson foi um exemplo disso: usamos o material qua¢ntico Nb 3 Br 8 , que éum material 2D como o grafeno que foi teorizado para hospedar um dipolo elanãtrico la­quido, como nossa barreira de material qua¢ntico de escolha e o colocamos entre dois supercondutores .

Conseguimos retirar apenas algumas camadas atômicas deste Nb 3 Br 8 e fazer um sandua­che muito, muito fino - apenas algumas camadas atômicas de espessura - que era necessa¡rio 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 qua¢nticos que estãosendo desenvolvidos por nossos colaboradores, o professor Tyrel McQueens e seu grupo na Johns Hopkins University nos EUA, e foi pea§a chave para nosrealizarmos o diodo Josephson pela primeira vez.

Muitas tecnologias são baseadas em versaµes antigas de supercondutores JJ, por exemplo, tecnologia de ressonância magnanãtica. Além disso, a computação qua¢ntica hoje ébaseada em Josephson Junctions. A tecnologia que antes são 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 atéterahertz, que é300 a 400 vezes mais rápido do que os computadores que estamos usando agora. Isso influenciara¡ todos os tipos de aplicações sociais e tecnologiicas. 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 éaumentar 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 permitira¡ o resfriamento do nitrogaªnio la­quido. A segunda coisa a resolver éa escala de produção. Embora seja a³timo provarmos que isso funciona em nanodispositivos, fizemos apenas um punhado. O pra³ximo passo seráinvestigar como escalar a produção para milhões de diodos Josephson em um chip.

Existem vários passos que todos os cientistas precisam tomar para manter o rigor cienta­fico. A primeira égarantir que seus resultados sejam repeta­veis. Nesse caso, fizemos muitos dispositivos, do zero, com diferentes lotes de materiais e encontramos as mesmas propriedades todas as vezes, mesmo quando medidos em ma¡quinas diferentes empaíses 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 espaºrio de sujeira, geometria, ma¡quina ou erro ou interpretação do usua¡rio.

Tambanãm realizamos experimentos fumegantes que reduzem drasticamente a possibilidade de interpretação. Nesse caso, para ter certeza de que ta­nhamos 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.

Tambanãm medimos esse efeito ao aplicar campos magnanãticos de diferentes magnitudes e mostramos que o efeito estava claramente presente no campo aplicado 0 e émorto por um campo aplicado. Esta étambém uma prova de fogo para nossa alegação de ter um efeito de diodo supercondutor em campo aplicado zero, um ponto muito importante para aplicações tecnologiicas. Isso ocorre porque os campos magnanãticos na escala nanomanãtrica são muito difa­ceis de controlar e limitar, portanto, para aplicações prática s, geralmente édesejável operar sem a necessidade de campos magnanãticos locais.

a‰ sim! Nãopara pessoas em casa, mas para farms de servidores ou supercomputadores, seria inteligente implementar isso. A computação centralizada érealmente como o mundo funciona hoje em dia. Todo e qualquer ca¡lculo intensivo éfeito em instalações centralizadas onde a localização adiciona enormes benefa­cios em termos de gerenciamento de energia, gerenciamento de calor, etc. A infraestrutura existente pode ser adaptada sem muito custo para trabalhar com eletra´nicos baseados em diodo Josephson. Ha¡ uma chance muito real, se os desafios discutidos na outra questãoforem superados, de que isso revolucione a centralização e a supercomputação.