O diodă supraconductoare, construită folosind mai multe straturi cu o grosime de atom, ar putea economisi cantități mari de energie în calculul tradițional și ar putea transforma calculatoarele cuantice supraconductoare.
Dioda, o componentă electronică care permite energiei electrice să circule preferențial într-o singură direcție, este o parte fundamentală a tranzistorului, componenta de bază a calculului modern. Diodele și tranzistoarele sunt fabricate din semiconductori care au rezistență electrică, ceea ce înseamnă că o parte din energie se pierde sub formă de căldură.
Supraconductorii sunt materiale care nu au rezistență electrică și, prin urmare, nu au nici pierderi de energie. Totuși, aceștia nu pot fi utilizați ca și componente de diodă din cauza faptului că rezistența este modul în care diodele tradiționale asigură deplasarea electricității într-o singură direcție.
În prezent, Mazhar Ali și colegii acestuia din cadrul Universității de Tehnologie Delft din Țările de Jos au creat prima diodă supraconductoare. Ei au plasat un strat 2D realizat dintr-un material numit niobiu-3 brom-8, despre care se crede că are un câmp electric încorporat, între două straturi supraconductoare 2D. Atunci când electronii călătoresc prin structură într-o direcție, ei nu întâmpină rezistență. Totuși, aceștia întâmpină rezistență atunci când se deplasează în cealaltă direcție.
„Din perspectivă fundamentală, acest lucru nu a fost prezis”, a declarat Ali.
Rezultatul a fost atât de neașteptat încât Ali și echipa sa nu înțeleg pe deplin modul de funcționare al diodei supraconductoare. „Deși oamenii au o idee brută, încă nu există o teorie riguroasă”, a adăugat Ali.
Descoperirea ar putea avea și aplicații practice importante. Calculatoarele și centrele de date consumă între 10 și 20% din energia electrică globală, iar o mare parte din aceasta este irosită sub formă de căldură produsă din cauza rezistenței electrice a tranzistoarelor. „Crearea semiconductoarelor supraconductoare ar putea face ca aceste dispozitive să utilizeze de sute de ori mai puțină energie și, eventual, să ruleze la viteze de sute de ori mai mari”, a declarat Ali.
Pe lângă economisirea de energie, dioda ar putea fi crucială pentru progresele în domeniul calculului cuantic. Aceasta utilizează un fenomen numit efect Josephson, un proces cuantic care permite electronilor să treacă printr-un tunel aflat între doi supraconductori.
Deși dispozitivele Josephson sunt utilizate pe scară largă în calculul cuantic supraconductor, introducerea unei diode Josephson ar putea transforma tipurile de computere cuantice care pot fi construite.
„Ceea ce este deosebit de impresionant la acest rezultat este faptul că dioda este și un dispozitiv Josephson, pentru că aceasta introduce o mulțime de fenomene fizice suplimentare pe care nu le-am putea avea, de exemplu, în cadrul unui fir supraconductor”, a declarat Jason Robinson din cadrul Universității din Cambridge.
În prezent, Ali și echipa sa își propun să folosească noua diodă pentru a construi un tranzistor supraconductor. Totuși, dioda lor actuală funcționează la aproximativ 2 kelvin, sau -271°C, iar atingerea acestei temperaturi necesită un consum mare de energie.
Ali este de părere că ar putea folosi materiale alternative pentru a face dioda să funcționeze la temperaturi peste 77 K, temperatura la care azotul este lichid, ceea ce ar face diodele să producă o economisire de energie.
De asemenea, dioda este construită printr-un proces manual, care implică îndepărtarea cu grijă a straturilor de supraconductor și stivuirea lor. „Acest lucru ar trebui să fie automatizat pentru producția pe scară largă a acestor dispozitive”, a declarat Ali.