Découverte du supraconducteur unidirectionnel, tu

Le professeur associé Mazhar Ali et son groupe de recherche à la TU Delft ont découvert la supraconductivité unidirectionnelle sans champs magnétiques, ce que l’on pensait impossible depuis sa découverte en 1911 – jusqu’à maintenant. La découverte, publiée dans Nature, utilise des matériaux quantiques 2D et ouvre la voie à l’informatique supraconductrice. Les supraconducteurs peuvent rendre l’électronique des centaines de fois plus rapide, le tout sans aucune perte d’énergie. Ali : « Si le 20^e siècle fut le siècle des semi-conducteurs, le 21^St peut devenir le siècle du supraconducteur. »

Au cours du 20^e siècle, de nombreux scientifiques, dont des lauréats du prix Nobel, se sont interrogés sur la nature de la supraconductivité, qui a été découverte par le physicien néerlandais Kamerlingh Onnes en 1911 (en savoir plus à ce sujet dans le cadre ci-dessous). Dans les supraconducteurs, un courant traverse un fil sans aucune résistance, ce qui signifie qu’il est difficile d’inhiber ce courant ou même de le bloquer – et encore moins de faire circuler le courant dans un seul sens et pas dans l’autre. Le fait que le groupe d’Ali ait réussi à rendre la supraconductivité unidirectionnelle – nécessaire pour l’informatique – est remarquable : on peut comparer cela à l’invention d’un type spécial de glace qui vous donne zéro frottement en patinant dans un sens, mais un frottement insurmontable dans l’autre sens.

Supraconducteur : ultra-rapide, ultra-vert
Les avantages de l’application des supraconducteurs à l’électronique sont doubles. Les supraconducteurs peuvent rendre l’électronique des centaines de fois plus rapide, et la mise en œuvre de supraconducteurs dans notre vie quotidienne rendrait l’informatique beaucoup plus verte : si vous deviez faire tourner un fil supraconducteur d’ici à la lune, il transporterait de l’énergie sans aucune perte. Par exemple, l’utilisation de supraconducteurs au lieu de semi-conducteurs ordinaires pourrait protéger jusqu’à 10% de toutes les réserves d’énergie occidentales selon NWO.

La (im)possibilité d’appliquer la supraconductivité
Dans le 20^e siècle et au-delà, personne ne pourrait s’attaquer à la barrière consistant à faire aller les électrons supraconducteurs dans une seule direction, ce qui est une propriété fondamentale nécessaire à l’informatique et à d’autres appareils électroniques modernes (considérez par exemple les diodes qui vont également dans un sens). En conduction normale, les électrons volent comme des particules séparées ; dans les supraconducteurs, ils se déplacent par paires de deux, sans aucune perte d’énergie électrique. Dans les années 70, les scientifiques d’IBM ont expérimenté l’idée du calcul supraconducteur mais ont dû arrêter leurs efforts : dans leurs articles sur le sujet, IBM mentionne que sans supraconductivité non réciproque, un ordinateur fonctionnant avec des supraconducteurs est impossible.

Entretien avec l’auteur correspondant Mazhar Ali

Q : Pourquoi, lorsque la direction unidirectionnelle fonctionne avec une semi-conduction normale, la supraconductivité unidirectionnelle n’a-t-elle jamais fonctionné auparavant ?

Mazhar Ali : « La conduction électrique dans les semi-conducteurs, comme le Si, peut être unidirectionnelle en raison d’un dipôle électrique interne fixe, donc d’un potentiel intégré net qu’ils peuvent avoir. L’exemple classique est la fameuse « jonction pn » ; où nous assemblons deux semi-conducteurs : l’un a des électrons supplémentaires (-) et l’autre a des trous supplémentaires (+). La séparation de la charge crée un potentiel intégré net qu’un électron volant à travers le système ressentira. Cela rompt la symétrie et peut entraîner des propriétés “à sens unique” car l’avant et l’arrière, par exemple, ne sont plus les mêmes. Il y a une différence entre aller dans la même direction que le dipôle et aller à l’encontre de celui-ci ; comme si vous nageiez avec la rivière ou remontiez la rivière. ”

«Les supraconducteurs n’ont jamais eu d’analogue de cette idée à sens unique sans champ magnétique; car ils sont plus liés aux métaux (c’est-à-dire aux conducteurs, comme leur nom l’indique) qu’aux semi-conducteurs, qui conduisent toujours dans les deux sens et n’ont aucun potentiel intégré. De même, les jonctions Josephson (JJ), qui sont des sandwichs de deux supraconducteurs avec des matériaux de barrière classiques non supraconducteurs entre les supraconducteurs, n’avaient pas non plus de mécanisme particulier de rupture de symétrie qui entraînait une différence entre “avant” et “arrière”. “.

Q : Comment avez-vous réussi à faire ce qui semblait initialement impossible ?

Ali : « C’était vraiment le résultat d’un des axes de recherche fondamentale de mon groupe. Dans ce que nous appelons “Quantum Material Josephson Junctions” (QMJJs), nous remplaçons le matériau de barrière classique dans les JJs par une barrière de matériau quantique, où les propriétés intrinsèques du matériau quantique peuvent moduler le couplage entre les deux supraconducteurs de nouvelles manières. La Diode Josephson en était un exemple : nous avons utilisé le matériau quantique Nb₃BR₈qui est un matériau 2D comme le graphène qui a été théorisé pour héberger un dipôle électrique net, comme notre barrière matérielle quantique de choix et l’a placé entre deux supraconducteurs. »

“Nous avons pu décoller seulement quelques couches atomiques de ce Nb₃BR₈ et faire un sandwich très, très fin – seulement quelques couches atomiques d’épaisseur – qui était nécessaire pour fabriquer la diode Josephson, et qui n’était pas possible avec des matériaux 3D normaux. Nb₃BR₈fait partie d’un groupe de nouveaux matériaux quantiques en cours de développement par nos collaborateurs, le professeur Tyrel McQueen et son groupe à l’Université Johns Hopkins aux États-Unis, et a joué un rôle clé dans la réalisation de la diode Josephson pour la première fois. ”

Q : Que signifie cette découverte en termes d’impact et d’applications ?

Ali : « De nombreuses technologies sont basées sur d’anciennes versions des supraconducteurs JJ, par exemple la technologie IRM. De plus, l’informatique quantique est aujourd’hui basée sur Josephson Junctions. Une technologie qui n’était auparavant possible qu’avec des semi-conducteurs peut désormais potentiellement être réalisée avec des supraconducteurs utilisant ce bloc de construction. Cela inclut des ordinateurs plus rapides, comme dans les ordinateurs avec une vitesse allant jusqu’au térahertz, qui est 300 à 400 fois plus rapide que les ordinateurs que nous utilisons actuellement. Cela influencera toutes sortes d’applications sociétales et technologiques. Si le 20e siècle a été le siècle des semi-conducteurs, le 21e peut devenir le siècle du supraconducteur. »

« La première direction de recherche que nous devons aborder pour une application commerciale est l’augmentation de la température de fonctionnement. Ici, nous avons utilisé un supraconducteur très simple qui limitait la température de fonctionnement. Maintenant, nous voulons travailler avec les soi-disant “supraconducteurs à haute Tc”, et voir si nous pouvons faire fonctionner des diodes Josephson à des températures supérieures à 77 K, car cela permettra un refroidissement à l’azote liquide. La deuxième chose à laquelle il faut s’attaquer est la mise à l’échelle de la production. Bien que ce soit formidable que nous ayons prouvé que cela fonctionne dans les nanodispositifs, nous n’en avons fabriqué qu’une poignée. La prochaine étape consistera à étudier comment adapter la production à des millions de diodes Josephson sur une puce. »

Q : Dans quelle mesure êtes-vous sûr de votre cas ?

Ali : « Il y a plusieurs étapes que tous les scientifiques doivent suivre pour maintenir la rigueur scientifique. La première consiste à s’assurer que leurs résultats sont reproductibles. Dans ce cas, nous avons fabriqué de nombreux appareils, à partir de zéro, avec différents lots de matériaux, et avons trouvé les mêmes propriétés à chaque fois, même lorsqu’elles ont été mesurées sur différentes machines dans différents pays par différentes personnes. Cela nous a dit que le résultat de la diode Josephson provenait de notre combinaison de matériaux et non d’un faux résultat de saleté, de géométrie, d’erreur ou d’interprétation de la machine ou de l’utilisateur. »

Nous avons également réalisé des expériences “fumantes” qui réduisent considérablement les possibilités d’interprétation. Dans ce cas, pour être sûr d’avoir un effet de diode supraconductrice, nous avons en fait essayé de “commuter” la diode; comme dans nous avons appliqué la même amplitude de courant dans les sens direct et inverse et avons montré que nous n’avons en fait mesuré aucune résistance (supraconductivité) dans un sens et une résistance réelle (conductivité normale) dans l’autre sens. ”

“Nous avons également mesuré cet effet lors de l’application de champs magnétiques de différentes amplitudes et avons montré que l’effet était clairement présent à 0 champ appliqué et qu’il était tué par un champ appliqué. C’est aussi une preuve irréfutable de notre affirmation d’avoir un effet de diode supraconductrice à champ appliqué nul, un point très important pour les applications technologiques. En effet, les champs magnétiques à l’échelle du nanomètre sont très difficiles à contrôler et à limiter, donc pour des applications pratiques, on souhaite généralement opérer sans nécessiter de champs magnétiques locaux. »

Q : Est-il réaliste pour les ordinateurs ordinaires (ou même les superordinateurs de KNMI et IBM) d’utiliser la supraconductivité ?

Ali : “Oui c’est le cas! Pas pour les gens à la maison, mais pour les fermes de serveurs ou pour les superordinateurs, il serait judicieux de mettre cela en œuvre. Le calcul centralisé est vraiment la façon dont le monde fonctionne de nos jours. Tous les calculs intensifs sont effectués dans des installations centralisées où la localisation ajoute d’énormes avantages en termes de gestion de l’alimentation, de gestion de la chaleur, etc. L’infrastructure existante pourrait être adaptée sans trop de frais pour fonctionner avec l’électronique à base de diodes Josephson. Il y a une chance très réelle, si les défis évoqués dans l’autre question sont surmontés, que cela révolutionne le calcul centralisé et le supercalcul ! »

Papier
‘La diode Josephson sans champ dans une hétérostructure de van der Waals’, NatureDOI : 10.1038 / s41586-022-04504-8

Contacter
Attachée de presse Elianna Kraan : ENKraan@tudelft.nl
Prof. Dr. Mazhar Ali : MNAli@tudelft.nl

Plus d’information
Le 18 mai^e – 19^e, Professeur Mazhar Ali et ses collaborateurs Prof. Valla Fatemi (Université Cornell) et Dr. Heng Wu (TU Delft) organise un “Atelier sur les effets de diodes supraconductrices” sur le Forum scientifique virtuel, dans lequel 12 experts internationaux dans le domaine donneront des conférences enregistrées en ligne (à publier sur YouTube) sur l’état actuel du domaine comme ainsi que les orientations futures de la recherche et du développement.

Professeur agrégé Mazhar Ali a étudié à UC Berkeley et Princeton et a fait son postdoc chez IBM et a remporté le prix Sofia Kovalevskaja de la Fondation Alexander von Humboldt en Allemagne avant de rejoindre la faculté des sciences appliquées de Delft.