Az MIT tudósaiból álló csapat egy egyszerű szupravezető eszközt fejlesztett, amely a jelenleg lehetségesnél sokkal hatékonyabban képes áramot továbbítani az elektronikus eszközökben. Ennek eredményeként az új dióda, ami egyfajta kapcsoló, drámai mértékben csökkentheti a nagy teljesítményű számítástechnikai rendszerek energiafogyasztását.

Mindez azért is fontos, mert ezen eszközök terjedésével az összesített energiaigényük is brutálisan megugrik a jövőben. Habár a dióda még a fejlesztés korai szakaszában van, már most több mint kétszer olyan hatékony, mint a jelenleg használt hasonló eszközök. A most fejlesztett dióda így a kvantumszámítási technológiák szerves része is lehet.

Habár ígéretes, de komolyan kritizált, csodálatos szupravezetőkből nincs hiány újabban, a mostani fejlesztés mögött egyrészt a világ egyik legrangosabb egyetemének, a Massachusettsi Műszaki Egyetem (MIT) kutatói állnak, másrészt ezúttal nem egy különleges anyagról, hanem egy eszközről, egész pontosan egy diódáról beszélünk. Végül pedig bár a fejlesztés még folyik, a dióda már most olyan eredményeket mutat, ami alapján a jövőben rendkívül fontos szerep juthat neki.

LK-99: elkészült az első szobahőmérsékleten és légköri nyomáson működő szupravezető – ezúttal állítólag tényleg A találmány mögött egy másik, egy dél-koreai csapat áll, nem az, akik eddig hasonló állításokat fogalmaztak meg. Ha tényleg működik, az átalakítja az egész világot.

A számítástechnikai rendszerekben mindenütt jelen vannak a diódák – amik lényegében olyan eszközök, amelyek lehetővé teszik az áram könnyű áramlását az egyik irányba, míg blokkolják azt a másikba. A modern félvezető számítógépes chipek több milliárd hasonló, diódaszerű, tranzisztorként ismert aprócska eszközt tartalmaznak.

A probléma az, hogy ezek a diódák nagyon felforrósodhatnak az elektromos ellenállás miatt, ami miatt ezen modern technológia, köztük a számítási felhő mögött álló adatközpontok nagy teljesítményű rendszereinek a hűtése elképesztő mennyiségű energiát igényel. A helyzet pedig csak rosszabb lesz: a Nature 2018-as cikke szerint ezek a rendszerek tíz éven belül a világ energiateljesítményének közel 20 százalékát használják majd fel.

Ennek eredményeként a szupravezetőkből készült diódák rossz szóviccel élve forró téma a kondenzált anyagokat kutató fizikában. Ez pedig azért van így, mert a szupravezetők egy bizonyos alacsony hőmérséklet (a kritikus hőmérséklet) alatt ellenállás nélkül továbbítják az áramot, és ezért sokkal hatékonyabbak tehát, mint azok a félvezetők, amelyek hő formájában komoly energiaveszteséggel rendelkeznek.

A mostani áttörés egy 2020-as felfedezéssel kezdődött, aminek érdekes mód első pillantásra nem volt köze a diódákhoz: ebben az évben ugyanis a tudósok lenyűgöző felfedezést tettek a Majorana fermion nevű egyedi részecskepárról, amely jelentős hatással lehet a kvantumszámításra. A szupravezető diódák fejlesztése során pedig a kutatók rájöttek arra, hogy a Majorana fermionok tanulmányozására használt anyagplatform alkalmazható a diódaproblémára is.

Ezzel a platformmal különféle szupravezető diódák iterációit hozták létre, amelyek mindegyike hatékonyabbnak bizonyult, mint az előző. Az egyik dióda vékony vanádiumrétegből, egy szupravezetőből állt, amelyet Hall-rúdként ismert elektronikus szerkezetté alakítottak. Amikor a Föld mágneses teréhez hasonló apró mágneses teret alkalmaztak, óriási polaritásfüggést figyeltek meg az áram áramlásában, amit diódaeffektusnak neveznek.

Egy másik diódát úgy alakítottak ki, hogy egy szupravezetőt ferromágnessel (egyfajta mágneses szigeteléssel) kombináltak, ezáltal még jelentősebb diódahatást produkálva, amely a mágneses tér kikapcsolása után is stabil maradt.

A szupravezetők, amelyek tehát ellenállás nélkül képesek elektromos áramot vezetni, rendelkeznek az úgynevezett Meissner-hatással, ami lényegében azt akadályozza meg, hogy mágneses mezők hatoljanak beléjük. A csapat ezt a hatást hasznosította tehát a diódáiban egy apró mágneses mező alkalmazásával, amely aktiválta az anyagnak ezt az árnyékoló-mechanizmusát, fenntartva a szupravezető képességet.

A kutatók felfedezték azt is, hogy a dióda eszközök élei közötti kis különbségek döntő szerepet játszottak a hatékonyság optimalizálásában – így pedig speciális élformák kialakításával a hatékonyságot a korábbi 20 százalékról 50 százalék fölé emelték, ami a jövőben a még nagyobb hatásfok elérhetőségét sem zárja ki.

Mint azt Jagadeesh Moodera, a jelenlegi kutatás vezetője és az MIT Fizikai Tanszékének vezető kutatója elmondta:

“Olyan szupravezető dióda effektust terveztünk, amely robusztus és széles hőmérsékleti tartományban képes működni egyszerű rendszerekben, és potenciálisan megnyitja az ajtót az új technológiák előtt.”

A mostani szupravezető diódák eredményeit, külsős, tehát a fejlesztésben részt nem vevő kutatók is rendkívül ígéretesnek tartják. Philip Moll, a Max Planck Anyagszerkezeti és Dinamikai Intézet igazgatója Németországban például így nyilatkozott:

“A mostani tanulmány alapján a szupravezető dióda egy teljes mértékben megoldott probléma mérnöki szempontból.

A mostani kutatás szépsége pedig, hogy (az MIT csapata) úgy ért el (már most) rekord hatékonyságot, hogy nem is törekedtek erre, és az eszközük még távol áll attól, hogy teljesen optimalizáltnak lehessen tekinteni.”

Christoph Strunk, a németországi Regensburgi Egyetem professzora pedig a következőket mondta:

“A jelenlegi tanulmány bemutatja, hogy az egyszerű szupravezetőkben a szuperáram nem-reciprokká válhat. Sőt, ferromágneses szigetelővel kombinálva a diódahatás külső mágneses tér hiányában is fennmarad. Az egyenirányítás iránya a mágneses réteg remanens mágnesezésével programozható, ami nagy potenciállal bír a jövőbeni alkalmazásokhoz. A tanulmány az alapvető kutatási és alkalmazási szempontból egyaránt fontos és ígéretes.”

(Kép: a szupravezető dióda prototípusa, forrás: MIT)