Künstlerische Darstellung eines supraleitenden Chips. (TU Delft) Durch den Austausch eines klassischen Materials gegen eines mit einzigartigen Quanteneigenschaften haben Wissenschaftler eine geschaffen supraleitend Schaltung, die zu Leistungen fähig ist, die lange für unmöglich gehalten wurden.
Die von Forschern aus Deutschland, den Niederlanden und den USA gemachte Entdeckung stellt ein jahrhundertealtes Denken über die Natur supraleitender Schaltkreise und die Frage, wie ihre Ströme gezähmt und in die Praxis umgesetzt werden können, auf den Kopf.
Abfallarme Hochgeschwindigkeitsschaltungen basierend auf der Physik von Supraleitung stellen eine einmalige Gelegenheit dar, die Supercomputing-Technologie auf ein völlig neues Niveau zu heben.
Leider stellen die Eigenschaften, die diese mühelose Form des elektrischen Stroms so praktisch machen, auch endlose Herausforderungen bei der Entwicklung supraleitender Versionen gängiger elektrischer Komponenten dar.
Nehmen Sie etwas so Einfaches wie ein Diode , Zum Beispiel. Diese Grundeinheit der Elektronik ist wie ein Einwegzeichen für Ströme und bietet die Möglichkeit, die Bewegungen von Elektronen zu regulieren, umzuwandeln und abzustimmen.
In supraleitenden Materialien verschwimmt die Identität dieser einzelnen Elektronen, was zu sogenannten Partnern führt Cooper-Paare , was jedem Teilchen in der Partnerschaft die Möglichkeit gibt, das energieraubende Drängen eines typischeren elektrischen Stroms zu vermeiden.
Ohne die üblichen Widerstandsgesetze ist es den Wissenschaftlern jedoch nicht gelungen, supraleitende Elektronen in eine einzige Richtung zu bewegen, da sie immer ein sogenanntes „reziprokes“ Verhalten zeigen.
Diese Grundannahme – dass Supraleitung die Reziprozität nicht verletzen kann (zumindest nicht ohne Manipulation des Magnetfelds) – besteht seit Beginn der Forschung auf diesem Gebiet.
Ehrlich gesagt ist es eine Hürde, auf die Ingenieure verzichten könnten.
„In den 70er Jahren probierten Wissenschaftler bei IBM die Idee des supraleitenden Rechnens aus, mussten ihre Bemühungen jedoch einstellen: In ihren Arbeiten zu diesem Thema erwähnt IBM, dass ohne nichtreziproke Supraleitung ein Computer, der auf Supraleitern läuft, unmöglich ist“, erklären Forscher in einem Pressemitteilung über ihre neue Studie.
Diese Bemühungen müssen nun möglicherweise erneut aufgegriffen werden, nachdem ein Experiment gezeigt hat, dass eine Art Kontakt mit einer Quantenkomponente in der Lage ist, sogar Cooper-Paare in eine Einbahnstraße zu lenken.
Josephson-Kreuzungen sind dünne Streifen aus nicht supraleitendem Material, die ein Paar supraleitender Materialien trennen. Wenn das Material dünn genug ist, können Elektronen unbesorgt hindurchdringen.
Unterhalb eines bestimmten Niveaus hat dieser „Superstrom“ keine Spannung. An einem kritischen Punkt entsteht eine Spannung, die schnell in Wellen schwingt, die für Anwendungen wie z. B. genutzt werden können Quantencomputer .
Bisher war es durch ein externes Magnetfeld möglich, sicherzustellen, dass dieser Strom immer nur in eine Richtung fließt. Aber das Team stellte fest, dass sie, wenn sie ein 2D-Gitter auf Basis des Metalls Niob verwenden würden, das Feld aufgeben und sich ausschließlich auf die Quanteneigenschaften des Materials verlassen könnten.
„Wir konnten nur ein paar Atomschichten dieses Nb ablösen.“ 3 Br 8 und ein sehr, sehr dünnes Sandwich herstellen – nur wenige Atomschichten dick –, das für die Herstellung der Josephson-Diode benötigt wurde und mit normalen 3D-Materialien nicht möglich war“, sagt leitender Forscher Mazhar Ali, ein Physiker von der Technischen Universität Delft in den Niederlanden.
Das Team ist zuversichtlich, dass es alle erforderlichen Voraussetzungen erfüllt hat, um seine Entdeckung stichhaltig zu begründen. Dennoch ist es noch ein langer Weg, bis wir Supraleiter als Herzstück der Datenverarbeitung der nächsten Generation sehen werden.
Zum einen tritt das Phänomen der Supraleitung typischerweise bei Materialien auf, die auf knapp über den absoluten Nullpunkt abgekühlt sind.
Einige supraleitende Materialien kann mit der Wärme umgehen, aber nur unter wahnsinnigem Druck.
Zu erfahren, wie auf diesen neuen Quantenbarrieren basierende Josephson-Kontakte bei höheren Temperaturen und Drücken funktionieren, könnte letztendlich bahnbrechend sein und den Bedarf an Ausrüstung für unglaublich effiziente Supercomputer reduzieren, wie sie die Welt noch nie gesehen hat.
„Dies wird alle möglichen gesellschaftlichen und technologischen Anwendungen beeinflussen“, sagt Oder.
„Wenn das 20. Jahrhundert das Jahrhundert der Halbleiter war, kann das 21. zum Jahrhundert der Halbleiter werden Supraleiter .'
Diese Forschung wurde veröffentlicht in Natur .