Ontdekking van de onmogelijk geachte supergeleider in één richting

Nieuws - 28 april 2022 - Communication TNW

Associate Professor Mazhar Ali en zijn onderzoeksgroep aan de TU Delft hebben eenrichtingssupergeleiding zonder magnetische velden ontdekt, iets wat sinds de ontdekking in 1911 voor onmogelijk werd gehouden. De ontdekking, die gisteren in Nature werd gepubliceerd, maakt gebruik van 2D kwantummaterialen en is een eerste stap op weg naar supergeleidende computers. Supergeleiders kunnen elektronica honderden malen sneller maken, en dat alles zonder energieverlies. Ali: "Als de 20e eeuw de eeuw was van de halfgeleiders, kan de 21e eeuw de eeuw van de supergeleider worden."

In de 20e eeuw hebben veel wetenschappers – waaronder Nobelprijswinnaars – zich gebogen over de aard van supergeleiding, wat in 1911 door de Nederlandse natuurkundige Kamerlingh Onnes werd ontdekt (lees meer in het kader hieronder). In supergeleiders gaat een stroom door een draad zonder enige weerstand, wat betekent dat het remmen van deze stroom of zelfs het blokkeren ervan nauwelijks mogelijk is - laat staan om de stroom in slechts één richting te laten lopen en niet de andere. Dat Dr. Heng Wu en Dr. Yaojia Wang, de hoofdonderzoekers in Ali’s groep die dit onderzoek hebben uitgevoerd, erin zijn geslaagd éénrichtingsverkeer te maken van supergeleiding - noodzakelijk voor computers - is opmerkelijk: je kunt het vergelijken met het uitvinden van een speciaal soort ijs dat geen wrijving geeft als je de ene kant op schaatst, maar onoverkomelijke wrijving als je de andere kant op schaatst.

Kunstenaar Ella Marushenko’s interpretatie van het Josephson Diode effect. De afbeelding laat een computerchip zien die gemaakt is van een paar lagen van atomen (blauwe en witte bollen), die de Josephson-diode vormt. De groene bollen stellen supergeleidende elektronenparen voor die in één richting bewegen, terwijl de oranje bollen normaal geleidende, enkele elektronen voorstellen die in de tegenovergestelde richting van de Josephson-diode bewegen.

Supergeleider: supersnel, supergroen

De voordelen van de toepassing van supergeleiders in elektronica zijn tweezijdig. Met supergeleiders kan elektronica honderden keren sneller worden, en door supergeleiders in ons dagelijks leven toe te passen zou IT veel groener worden: een supergeleidende draad van hier naar de maan zou de energie zonder verlies transporteren. Zo zou het gebruik van supergeleiders in plaats van gewone halfgeleiders volgens NWO tot tien procent van alle Westerse energiereserves veilig kunnen stellen. Een interview met associate professor Mazhar Ali over het paper "De veldvrije Josephson-diode in een van der Waals heterostructuur", dat een proof-of-concept vaststelt:

V: Waarom heeft supergeleiding in één richting nog nooit gewerkt, terwijl dat bij normale halfgeleiding wel werkt? 
A: Mazhar Ali: "Elektrische geleiding in halfgeleiders, zoals Si, kan eenrichtingsverkeer zijn vanwege een vaste interne elektrische dipool, dus een netto ingebouwde potentiaal die ze kunnen hebben.  Het schoolvoorbeeld is de beroemde "pn-overgang", waarbij twee halfgeleiders aan elkaar worden geklikt: de ene heeft extra elektronen (-) en de andere heeft extra gaten (+). De scheiding van lading maakt een netto ingebouwde potentiaal die gevoeld wordt door een rondvliegend elektron. Dit verbreekt de symmetrie en kan resulteren in "eenrichtings"-eigenschappen omdat bijvoorbeeld vooruit versus achteruit niet meer hetzelfde zijn. In dezelfde richting gaan als de dipool of ertegenin gaan verschilt dan; vergelijkbaar met of je met de rivier mee zwemt of de rivier op zwemt."

"Supergeleiders hadden nooit een equivalent van dit eenrichtingsidee zonder magnetisch veld; aangezien zij meer verwant zijn aan metalen (d.w.z. geleiders, zoals de naam zegt) dan halfgeleiders, die altijd in beide richtingen geleiden en geen ingebouwd potentiaal hebben. Ook hebben Josephson Junctions (JJ's) – die een sandwich zijn van twee supergeleiders met niet-supergeleidende, klassieke barrièrematerialen tussen de supergeleiders in – niet een symmetrie-brekend mechanisme gehad dat resulteerde in een verschil tussen "vooruit" en "achteruit".

V: Hoe is u gelukt wat eerst onmogelijk leek? 
A: "Dit resultaat kwam eigenlijk door een van de fundamentele onderzoeksrichtingen van mijn groep. In wat wij "Quantum Material Josephson Junctions" (QMJJ's) noemen, vervangen wij het klassieke barrièremateriaal in JJ's door een barrière van quantummateriaal, waarbij de intrinsieke eigenschappen van het quantummateriaal de koppeling tussen de twee supergeleiders op nieuwe manieren kunnen moduleren. De Josephson-diode was hier een voorbeeld van: we gebruikten het kwantummateriaal Nb3Br8, een 2D-materiaal zoals grafeen, waarvan wordt verondersteld dat het een netto elektrische dipool bevat, als de kwantummateriaalbarrière van onze voorkeur en plaatsten het tussen twee supergeleiders." 

"We waren in staat om slechts een paar atoomlagen van dit Nb3Br8 af te pellen en een zeer, zeer dunne sandwich te maken - slechts een paar atoomlagen dik - wat nodig was voor het maken van de Josephson-diode, en niet mogelijk was met normale 3D-materialen. Nb3Br8 maakt deel uit van een groep nieuwe quantummaterialen en was voor ons een sleutelelement bij de eerste verwezenlijking van de Josephson-diode, ontwikkeld door onze samenwerkingspartners, professor Tyrel McQueen en zijn groep aan de Johns Hopkins University in de VS. 

De (on)mogelijkheid van het toepassen van supergeleiding

In de 20e eeuw en daarna kon niemand de barrière overwinnen om supergeleidende elektronen slechts in één richting te laten gaan, wat een fundamentele eigenschap is die nodig is voor computers en andere moderne elektronica (denk bijvoorbeeld aan diodes die ook in één richting gaan). Bij normale geleiding vliegen de elektronen als afzonderlijke deeltjes rond; in supergeleiders bewegen ze in paren van twee, zonder enig verlies van elektrische energie. In de jaren '70 probeerden wetenschappers bij IBM het idee van supergeleidende computers uit, maar zij moesten hun pogingen staken: in hun documenten over dit onderwerp vermeldt IBM dat het onmogelijk is om een computer te hebben die op superconductors werkt zonder niet-wederkerige supergeleiding. 

V: Wat betekent deze ontdekking wat betreft impact en toepassingen? 
A: "Veel technologieën zijn gebaseerd op oude versies van JJ supergeleiders, bijvoorbeeld MRI-technologie. Ook quantum computing is tegenwoordig gebaseerd op Josephson Junctions. Technologie die vroeger alleen mogelijk was met halfgeleiders, kan nu mogelijk met behulp van deze bouwsteen met supergeleiders worden gemaakt. Daar vallen ook snellere computers onder, zoals computers met een snelheid tot terahertz, 300 tot 400 keer sneller dan de computers die we nu gebruiken. Dit zal invloed hebben op allerlei maatschappelijke en technologische toepassingen. Als de 20e eeuw de eeuw was van de halfgeleiders, kan de 21e de eeuw van de supergeleider worden."

"De eerste onderzoeksrichting die we moeten aanpakken voor commerciële toepassing, is het verhogen van de temperatuur waarmee we werken. Hier gebruikten we een zeer eenvoudige supergeleider die de temperatuur beperkte. Nu willen we werken met de bekende zogenaamde "High Tc Superconductors", en kijken of we Josephson-diodes kunnen laten werken bij temperaturen boven 77 K, aangezien dit koeling met vloeibare stikstof mogelijk maakt. Het tweede punt dat we moeten aanpakken is schaalvergroting. Hoewel het geweldig is dat we hebben bewezen dat dit werkt in nanodevices, hebben we er maar een handvol gemaakt. De volgende stap is te onderzoeken hoe we de productie kunnen opschalen naar miljoenen Josephson-diodes op een chip."

V: Hoe zeker bent u van uw zaak?
A: "Alle wetenschappers moeten verschillende stappen nemen om wetenschappelijk rigoureus te blijven. De eerste is ervoor zorgen dat hun resultaten herhaalbaar zijn. In dit geval hebben we veel apparaten van de grond af opgebouwd, met verschillende soorten materialen, en we vonden elke keer dezelfde eigenschappen, zelfs wanneer ze op verschillende machines in verschillende landen door verschillende mensen werden gemeten. Dit leerde ons dat het resultaat van de Josephson-diode afkomstig was van onze combinatie van materialen en niet van een of ander resultaat van vuil, geometrie, machine- of gebruikersfouten of interpretatie."

"We hebben ook 'smoking gun'-experimenten uitgevoerd die de mogelijkheid tot interpretatie drastisch verkleinen. In dit geval hebben we, om er zeker van te zijn dat we een supergeleidend diode-effect hadden, daadwerkelijk geprobeerd de diode te "schakelen"; dat wil zeggen dat we dezelfde grootte van stroom in zowel voorwaartse als achterwaartse richting toepasten en aantoonden dat we in feite geen weerstand (supergeleiding) in de ene richting maten en echte weerstand (normale geleiding) in de andere richting."

"We hebben dit effect ook gemeten terwijl we magnetische velden van verschillende groottes toepasten en hebben aangetoond dat het effect duidelijk aanwezig was bij een nul-veld en verdween bij een toegepast veld. Dit is ook een smoking gun voor onze bewering dat we een supergeleidend diode-effect hebben bij een nul-veld, een zeer belangrijk punt voor technologische toepassingen. Magnetische velden op nanometerschaal zijn namelijk zeer moeilijk te controleren en te beperken, dus voor praktische toepassingen is het over het algemeen wenselijk om te werken zonder lokale magnetische velden." 

V: Is het realistisch dat gewone computers (of zelfs de supercomputers van het KNMI en IBM) gebruik kunnen maken van supergeleiding?
A: Ja, dat is het zeker! Niet voor mensen thuis, maar voor server farms of voor supercomputers zou het slim zijn om dit te implementeren. De wereld werkt tegenwoordig met gecentraliseerde berekeningen. Alle intensieve berekeningen worden uitgevoerd in gecentraliseerde faciliteiten waar lokalisatie enorme voordelen biedt op het gebied van energiebeheer, warmtebeheer, enz. De bestaande infrastructuur zou zonder al te veel kosten kunnen worden aangepast voor werken met elektronica op basis van Josephson-diodes. De kans is reëel dat, als de in de andere vraag besproken uitdagingen worden overwonnen, dit een revolutie teweeg zal brengen op het gebied van gecentraliseerde berekeningen en supercomputing!"

Associate Prof. Dr. Mazhar Ali (midden) met zijn collega-onderzoekers Dr. Yaojia Wang (links) en Dr. Heng Wu (rechts).

Meer informatie

Op 18 en 19 mei organiseren associate professor Mazhar Ali en zijn samenwerkingspartners prof. Valla Fatemi (Cornell University) en dr. Heng Wu (TU Delft) op het Virtual Science Forum een "Superconducting Diode Effects Workshop", waarbij 12 internationale experts lezingen zullen geven (te publiceren op YouTube) over de huidige stand van zaken op dit gebied, alsmede over toekomstige onderzoeks- en toepassingsrichtingen.  

Associate Professor Mazhar Ali studeerde aan UC Berkeley en Princeton. Hij deed zijn postdoc bij IBM en won de Sofia Kovalevskaja Award van de Alexander von Humboldt Foundation in Duitsland, waarna hij in dienst trad bij de faculteit Technische Natuurwetenschappen in Delft.

/* */