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Sep 01, 2023

Ein einfaches supraleitendes Gerät könnte den Energieverbrauch bei Computern und anderen Anwendungen drastisch senken

Vorheriges Bild Nächstes Bild MIT-Wissenschaftler und ihre Kollegen haben ein einfaches supraleitendes Gerät entwickelt, das Strom viel effizienter als möglich durch elektronische Geräte übertragen könnte

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MIT-Wissenschaftler und ihre Kollegen haben ein einfaches supraleitendes Gerät entwickelt, das Strom viel effizienter durch elektronische Geräte übertragen könnte, als dies heute möglich ist. Infolgedessen könnte die neue Diode, eine Art Schalter, den Energieverbrauch in Hochleistungsrechnersystemen drastisch senken – ein großes Problem, das sich Schätzungen zufolge noch verschlimmern wird. Obwohl sie sich noch im Anfangsstadium der Entwicklung befindet, ist die Diode mehr als doppelt so effizient wie ähnliche, von anderen berichtete Dioden. Es könnte sogar ein integraler Bestandteil neuer Quantencomputertechnologien sein.

Die Arbeit, über die in der Online-Ausgabe der Physical Review Letters vom 13. Juli berichtet wird, ist auch Gegenstand einer Nachricht im Physics Magazine.

„Dieser Artikel zeigt, dass die supraleitende Diode aus technischer Sicht ein vollständig gelöstes Problem ist“, sagt Philip Moll, Direktor des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie in Deutschland. Moll war an der Arbeit nicht beteiligt. „Das Schöne an [dieser] Arbeit ist, dass [Moodera und Kollegen] Rekordeffizienzen erreichten, ohne es überhaupt zu versuchen, [und] ihre Strukturen noch lange nicht optimiert sind.“

„Unsere Entwicklung eines supraleitenden Diodeneffekts, der robust ist und in einfachen Systemen über einen weiten Temperaturbereich arbeiten kann, kann möglicherweise die Tür für neuartige Technologien öffnen“, sagt Jagadeesh Moodera, Leiter der aktuellen Arbeit und leitender Forschungswissenschaftler in der Abteilung für Physik. Moodera ist außerdem mit dem Materials Research Laboratory, dem Francis Bitter Magnet Laboratory und dem Plasma Science and Fusion Center (PSFC) verbunden.

Die nanoskopische rechteckige Diode – etwa 1.000 Mal dünner als der Durchmesser eines menschlichen Haares – ist leicht skalierbar. Auf einem einzigen Siliziumwafer könnten Millionen hergestellt werden.

Auf dem Weg zu einem supraleitenden Schalter

Dioden, Geräte, die den Stromfluss in eine Richtung, aber nicht in die umgekehrte Richtung ermöglichen, sind in Computersystemen allgegenwärtig. Moderne Halbleiter-Computerchips enthalten Milliarden von diodenähnlichen Bauelementen, die als Transistoren bekannt sind. Aufgrund des elektrischen Widerstands können diese Geräte jedoch sehr heiß werden und erfordern große Energiemengen, um die Hochleistungssysteme in den Rechenzentren hinter unzähligen modernen Technologien, einschließlich Cloud Computing, zu kühlen. Einem Nachrichtenbeitrag in Nature aus dem Jahr 2018 zufolge könnten diese Systeme in zehn Jahren fast 20 Prozent des weltweiten Stroms verbrauchen.

Daher ist die Arbeit an der Herstellung von Dioden aus Supraleitern ein heißes Thema in der Physik der kondensierten Materie. Das liegt daran, dass Supraleiter unterhalb einer bestimmten niedrigen Temperatur (der kritischen Temperatur) Strom ohne Widerstand übertragen und daher viel effizienter sind als ihre halbleitenden Verwandten, die einen spürbaren Energieverlust in Form von Wärme aufweisen.

Andere Herangehensweisen an das Problem basierten bisher jedoch auf weitaus komplizierterer Physik. „Der von uns gefundene Effekt ist [teilweise] auf eine allgegenwärtige Eigenschaft von Supraleitern zurückzuführen, die auf sehr einfache und unkomplizierte Weise realisiert werden kann. Es starrt einem einfach ins Gesicht“, sagt Moodera.

Moll vom Max-Planck-Institut sagt: „Die Arbeit ist ein wichtiger Kontrapunkt zur aktuellen Mode, supraleitende Dioden mit exotischer Physik in Verbindung zu bringen, etwa mit endlichen Impulspaarungszuständen.“ In Wirklichkeit ist eine supraleitende Diode jedoch ein häufiges und weit verbreitetes Phänomen, das in klassischen Materialien aufgrund bestimmter gebrochener Symmetrien auftritt.“

Eine etwas zufällige Entdeckung

Im Jahr 2020 beobachteten Moodera und Kollegen Hinweise auf ein exotisches Teilchenpaar, das als Majorana-Fermionen bekannt ist. Diese Teilchenpaare könnten zu einer neuen Familie topologischer Qubits führen, den Bausteinen von Quantencomputern. Während das Team über Ansätze zur Herstellung supraleitender Dioden nachdachte, erkannte es, dass die Materialplattform, die es für die Majorana-Arbeit entwickelt hatte, auch auf das Diodenproblem angewendet werden könnte.

Sie hatten Recht. Auf dieser allgemeinen Plattform entwickelten sie verschiedene Iterationen supraleitender Dioden, von denen jede effizienter war als die andere. Die erste bestand beispielsweise aus einer nanoskopisch dünnen Schicht aus Vanadium, einem Supraleiter, die in eine Struktur gebracht wurde, die in der Elektronik üblich ist (der Hall-Stab). Als sie ein winziges Magnetfeld anlegten, das mit dem Erdmagnetfeld vergleichbar war, beobachteten sie den Diodeneffekt – eine riesige Polaritätsabhängigkeit des Stromflusses.

Dann schufen sie eine weitere Diode, dieses Mal schichteten sie einen Supraleiter mit einem Ferromagneten (in ihrem Fall einem ferromagnetischen Isolator), einem Material, das sein eigenes winziges Magnetfeld erzeugt. Nachdem sie ein winziges Magnetfeld angelegt hatten, um den Ferromagneten so zu magnetisieren, dass er sein eigenes Feld erzeugte, fanden sie einen noch größeren Diodeneffekt, der auch nach dem Ausschalten des ursprünglichen Magnetfelds stabil blieb.

Allgegenwärtige Eigenschaften

Das Team machte sich daran, herauszufinden, was los war.

Neben der widerstandslosen Stromübertragung haben Supraleiter noch andere, weniger bekannte, aber ebenso allgegenwärtige Eigenschaften. Beispielsweise mögen sie es nicht, wenn Magnetfelder in ihr Inneres eindringen. Wenn Supraleiter einem winzigen Magnetfeld ausgesetzt werden, erzeugen sie einen internen Suprastrom, der einen eigenen magnetischen Fluss induziert, der das äußere Feld aufhebt und so ihren supraleitenden Zustand aufrechterhält. Man kann sich dieses als Meissner-Screening-Effekt bekannte Phänomen so vorstellen, dass das Immunsystem unseres Körpers Antikörper freisetzt, um die Infektion durch Bakterien und andere Krankheitserreger zu bekämpfen. Dies funktioniert jedoch nur bis zu einer gewissen Grenze. Ebenso können Supraleiter große Magnetfelder nicht vollständig abhalten.

Die vom Team entwickelten Dioden nutzen diesen universellen Meissner-Abschirmeffekt. Das von ihnen angelegte winzige Magnetfeld – entweder direkt oder durch die angrenzende ferromagnetische Schicht – aktiviert den Abschirmstrommechanismus des Materials, um das äußere Magnetfeld auszutreiben und die Supraleitung aufrechtzuerhalten.

Das Team fand außerdem heraus, dass ein weiterer Schlüsselfaktor bei der Optimierung dieser Supraleiterdioden winzige Unterschiede zwischen den beiden Seiten oder Kanten der Diodenvorrichtungen sind. Diese Unterschiede „erzeugen eine Art Asymmetrie in der Art und Weise, wie das Magnetfeld in den Supraleiter eintritt“, sagt Moodera.

Durch die Entwicklung einer eigenen Form von Kanten an Dioden, um diese Unterschiede zu optimieren – zum Beispiel eine Kante mit Sägezahnmerkmalen, während die andere Kante nicht absichtlich verändert wurde – stellte das Team fest, dass sie den Wirkungsgrad von 20 Prozent auf über 50 Prozent steigern konnten. Diese Entdeckung öffnet die Tür für Geräte, deren Kanten für noch höhere Effizienz „abgestimmt“ werden könnten, sagt Moodera.

Zusammenfassend stellte das Team fest, dass die Kantenasymmetrien innerhalb supraleitender Dioden, der allgegenwärtige Meissner-Abschirmeffekt, der in allen Supraleitern zu finden ist, und eine dritte Eigenschaft von Supraleitern, die als Vortex-Pinning bekannt ist, zusammenkamen, um den Diodeneffekt zu erzeugen.

„Es ist faszinierend zu sehen, wie unauffällige und doch allgegenwärtige Faktoren einen signifikanten Effekt bei der Beobachtung des Diodeneffekts erzeugen können“, sagt Yasen Hou, Erstautor der Arbeit und Postdoktorand am Francis Bitter Magnet Laboratory und am PSFC. „Was noch spannender ist, ist, dass [diese Arbeit] einen unkomplizierten Ansatz mit großem Potenzial zur weiteren Verbesserung der Effizienz bietet.“

Christoph Strunk ist Professor an der Universität Regensburg in Deutschland. Strunk, der nicht an der Forschung beteiligt war, sagt: „Die vorliegende Arbeit zeigt, dass der Suprastrom in einfachen supraleitenden Streifen nichtreziprok werden kann.“ Darüber hinaus kann der Diodeneffekt in Kombination mit einem ferromagnetischen Isolator auch dann aufrechterhalten werden, wenn kein äußeres Magnetfeld vorhanden ist. Die Gleichrichtungsrichtung kann durch die Restmagnetisierung der Magnetschicht programmiert werden, was großes Potenzial für zukünftige Anwendungen haben könnte. Die Arbeit ist sowohl aus grundlagenwissenschaftlicher als auch aus anwendungstechnischer Sicht wichtig und reizvoll.“

Mitwirkende im Teenageralter

Moodera bemerkte, dass die beiden Forscher, die die technischen Kanten entwickelten, dies während eines Sommers in Mooderas Labor taten, während sie noch in der Highschool waren. Es handelt sich um Ourania Glezakou-Elbert aus Richland, Washington, die diesen Herbst an die Princeton University gehen wird, und Amith Varambally aus Vestavia Hills, Alabama, die an das Caltech gehen wird.

Varambally sagt: „Als ich letzten Sommer in Boston ankam, wusste ich nicht, was mich erwarten würde, und schon gar nicht hatte ich damit gerechnet, Mitautor eines Artikels in den Physical Review Letters zu sein.

„Jeder Tag war aufregend, egal ob ich Dutzende von Artikeln las, um das Diodenphänomen besser zu verstehen, oder Maschinen bediente, um neue Dioden für Studienzwecke herzustellen, oder mich mit Ourania, Dr. Hou und Dr. Moodera über unsere Forschung unterhielt.

„Ich bin Dr. Moodera und Dr. Hou zutiefst dankbar, dass sie mir die Gelegenheit gegeben haben, an einem so faszinierenden Projekt zu arbeiten, und Ourania dafür, dass sie ein großartiger Forschungspartner und Freund sind.“

Korrespondierende Autoren des Papiers sind neben Moodera und Hou die Professoren Patrick A. Lee von der MIT-Abteilung für Physik und Akashdeep Kamra von der Autonomen Universität Madrid. Weitere Autoren vom MIT sind Liang Fu und Margarita Davydova vom Fachbereich Physik sowie Hang Chi, Alessandro Lodesani und Yingying Wu, alle vom Francis Bitter Magnet Laboratory und dem Plasma Science and Fusion Center. Chi ist außerdem dem CCDC-Forschungslabor der US-Armee angeschlossen.

Zu den Autoren gehören außerdem Fabrizio Nichele, Markus F. Ritter und Daniel Z. Haxwell von IBM Research Europe; Stefan Ilić vom Materials Physics Center (CFM-MPC); und F. Sebastian Bergeret vom CFM-MPC und dem Donostia International Physics Center.

Diese Arbeit wurde vom Air Force Office of Sponsored Research, dem Office of Naval Research, der National Science Foundation und dem Army Research Office unterstützt. Weitere Geldgeber sind der Europäische Forschungsrat, das Forschungs- und Innovationsrahmenprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union, das spanische Ministerium für Wissenschaft und Innovation, die A. v. Humboldt-Stiftung und das Büro für Grundlagenwissenschaften des Energieministeriums.

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