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Sep 01, 2023

Un dispositivo superconductor simple podría reducir drásticamente el uso de energía en informática y otras aplicaciones

Imagen anterior Imagen siguiente Científicos del MIT y sus colegas han creado un dispositivo superconductor simple que podría transferir corriente a través de dispositivos electrónicos de manera mucho más eficiente de lo que es posible

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Los científicos del MIT y sus colegas han creado un dispositivo superconductor simple que podría transferir corriente a través de dispositivos electrónicos de manera mucho más eficiente de lo que es posible hoy. Como resultado, el nuevo diodo, una especie de interruptor, podría reducir drásticamente la cantidad de energía utilizada en los sistemas informáticos de alta potencia, un problema importante que se estima que empeorará mucho. Aunque se encuentra en las primeras etapas de desarrollo, el diodo es más del doble de eficiente que otros similares informados por otros. Incluso podría ser parte integral de las tecnologías de computación cuántica emergentes.

El trabajo, que aparece en la edición en línea del 13 de julio de Physical Review Letters, también es objeto de una noticia en Physics Magazine.

"Este artículo demuestra que el diodo superconductor es un problema totalmente resuelto desde una perspectiva de ingeniería", afirma Philip Moll, director del Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia en Alemania. Moll no participó en el trabajo. "La belleza de [este] trabajo es que [Moodera y sus colegas] obtuvieron eficiencias récord sin siquiera intentarlo [y] sus estructuras están lejos de estar optimizadas todavía".

"Nuestra ingeniería de un efecto de diodo superconductor que es robusto y puede operar en un amplio rango de temperaturas en sistemas simples puede potencialmente abrir la puerta a nuevas tecnologías", dice Jagadeesh Moodera, líder del trabajo actual y científico investigador senior en el Departamento de Tecnología del MIT. Física. Moodera también está afiliada al Laboratorio de Investigación de Materiales, el Laboratorio Francis Bitter Magnet y el Centro de Fusión y Ciencia del Plasma (PSFC).

El diodo nanoscópico rectangular, aproximadamente 1.000 veces más delgado que el diámetro de un cabello humano, es fácilmente escalable. Se podrían producir millones con una sola oblea de silicio.

Hacia un interruptor superconductor

Los diodos, dispositivos que permiten que la corriente viaje fácilmente en una dirección pero no en la inversa, son omnipresentes en los sistemas informáticos. Los chips de computadora semiconductores modernos contienen miles de millones de dispositivos similares a diodos conocidos como transistores. Sin embargo, estos dispositivos pueden calentarse mucho debido a la resistencia eléctrica, lo que requiere grandes cantidades de energía para enfriar los sistemas de alta potencia en los centros de datos detrás de innumerables tecnologías modernas, incluida la computación en la nube. Según un artículo de noticias de 2018 en Nature, estos sistemas podrían utilizar casi el 20 por ciento de la energía mundial en 10 años.

Como resultado, el trabajo para crear diodos hechos de superconductores ha sido un tema candente en la física de la materia condensada. Esto se debe a que los superconductores transmiten corriente sin resistencia alguna por debajo de una cierta temperatura baja (la temperatura crítica) y, por lo tanto, son mucho más eficientes que sus primos semiconductores, que tienen una pérdida notable de energía en forma de calor.

Sin embargo, hasta ahora, otras aproximaciones al problema han implicado física mucho más complicada. “El efecto que encontramos se debe [en parte] a una propiedad ubicua de los superconductores que se puede realizar de una manera muy simple y directa. Simplemente te mira fijamente a la cara”, dice Moodera.

Moll del Instituto Max Planck dice: “El trabajo es un contrapunto importante a la moda actual de asociar diodos superconductores [con] físicas exóticas, como los estados de emparejamiento de momento finito. Mientras que en realidad, un diodo superconductor es un fenómeno común y extendido presente en los materiales clásicos, como resultado de ciertas simetrías rotas”.

Un descubrimiento un tanto fortuito

En 2020, Moodera y sus colegas observaron evidencia de un par de partículas exóticas conocidas como fermiones de Majorana. Estos pares de partículas podrían dar lugar a una nueva familia de qubits topológicos, los componentes básicos de las computadoras cuánticas. Mientras reflexionaba sobre posibles métodos para crear diodos superconductores, el equipo se dio cuenta de que la plataforma de material que desarrollaron para el trabajo de Majorana también podría aplicarse al problema de los diodos.

Tenían razón. Utilizando esa plataforma general, desarrollaron diferentes iteraciones de diodos superconductores, cada una más eficiente que la anterior. El primero, por ejemplo, consistía en una capa nanoscópicamente delgada de vanadio, un superconductor, que tenía una estructura común a la electrónica (la barra Hall). Cuando aplicaron un pequeño campo magnético comparable al campo magnético de la Tierra, vieron el efecto diodo: una gigantesca dependencia de la polaridad para el flujo de corriente.

Luego crearon otro diodo, esta vez superponiendo un superconductor con un ferroimán (un aislante ferromagnético en su caso), un material que produce su propio y diminuto campo magnético. Después de aplicar un pequeño campo magnético para magnetizar el ferroimán para que produzca su propio campo, encontraron un efecto de diodo aún mayor que se mantuvo estable incluso después de que se apagara el campo magnético original.

Propiedades ubicuas

El equipo pasó a descubrir qué estaba pasando.

Además de transmitir corriente sin resistencia, los superconductores también tienen otras propiedades menos conocidas pero igualmente omnipresentes. Por ejemplo, no les gusta que entren campos magnéticos. Cuando se exponen a un pequeño campo magnético, los superconductores producen una supercorriente interna que induce su propio flujo magnético que cancela el campo externo, manteniendo así su estado superconductor. Se puede considerar que este fenómeno, conocido como efecto de detección de Meissner, es similar a que el sistema inmunológico de nuestro cuerpo libere anticuerpos para combatir la infección de bacterias y otros patógenos. Sin embargo, esto sólo funciona hasta cierto límite. De manera similar, los superconductores no pueden impedir por completo los grandes campos magnéticos.

Los diodos que creó el equipo utilizan este efecto de detección universal de Meissner. El pequeño campo magnético que aplicaron, ya sea directamente o a través de la capa ferromagnética adyacente, activa el mecanismo de corriente de protección del material para expulsar el campo magnético externo y mantener la superconductividad.

El equipo también descubrió que otro factor clave en la optimización de estos diodos superconductores son las pequeñas diferencias entre los dos lados o bordes de los dispositivos de diodo. Estas diferencias "crean una especie de asimetría en la forma en que el campo magnético ingresa al superconductor", dice Moodera.

Al diseñar su propia forma de bordes en diodos para optimizar estas diferencias (por ejemplo, un borde con características de dientes de sierra, mientras que el otro borde no se alteró intencionalmente), el equipo descubrió que podían aumentar la eficiencia del 20 por ciento a más del 50 por ciento. Este descubrimiento abre la puerta a dispositivos cuyos bordes podrían “ajustarse” para lograr eficiencias aún mayores, afirma Moodera.

En resumen, el equipo descubrió que las asimetrías de los bordes dentro de los diodos superconductores, el omnipresente efecto de detección de Meissner que se encuentra en todos los superconductores y una tercera propiedad de los superconductores conocida como fijación de vórtices se unieron para producir el efecto de diodo.

"Es fascinante ver cómo factores discretos pero ubicuos pueden crear un efecto significativo al observar el efecto del diodo", dice Yasen Hou, primer autor del artículo y postdoctorado en el Francis Bitter Magnet Laboratory y el PSFC. "Lo que es más interesante es que [este trabajo] proporciona un enfoque sencillo con un enorme potencial para mejorar aún más la eficiencia".

Christoph Strunk es profesor de la Universidad de Ratisbona en Alemania. Según Strunk, que no participó en la investigación, “el presente trabajo demuestra que la supercorriente en tiras superconductoras simples puede volverse no recíproca. Además, cuando se combina con un aislante ferromagnético, el efecto diodo puede mantenerse incluso en ausencia de un campo magnético externo. La dirección de rectificación se puede programar mediante la magnetización remanente de la capa magnética, lo que puede tener un gran potencial para aplicaciones futuras. El trabajo es importante y atractivo tanto desde el punto de vista de la investigación básica como de las aplicaciones”.

Contribuyentes adolescentes

Moodera señaló que los dos investigadores que crearon los bordes diseñados lo hicieron cuando aún estaban en la escuela secundaria durante un verano en el laboratorio de Moodera. Se trata de Ourania Glezakou-Elbert de Richland, Washington, que irá a la Universidad de Princeton este otoño, y Amith Varambally de Vestavia Hills, Alabama, que ingresará a Caltech.

Varambally dice: “No sabía qué esperar cuando puse un pie en Boston el verano pasado, y ciertamente nunca esperé ser coautor de un artículo de Physical Review Letters.

“Cada día era emocionante, ya fuera leyendo docenas de artículos para comprender mejor el fenómeno de los diodos, u operando maquinaria para fabricar nuevos diodos para estudiar, o entablando conversaciones con Ourania, el Dr. Hou y el Dr. Moodera sobre nuestra investigación.

"Estoy profundamente agradecido al Dr. Moodera y al Dr. Hou por brindarme la oportunidad de trabajar en un proyecto tan fascinante, y a Ourania por ser un gran amigo y socio de investigación".

Además de Moodera y Hou, los autores correspondientes del artículo son los profesores Patrick A. Lee del Departamento de Física del MIT y Akashdeep Kamra de la Universidad Autónoma de Madrid. Otros autores del MIT son Liang Fu y Margarita Davydova del Departamento de Física, y Hang Chi, Alessandro Lodesani y Yingying Wu, todos del Francis Bitter Magnet Laboratory y del Plasma Science and Fusion Center. Chi también está afiliado al Laboratorio de Investigación CCDC del Ejército de EE. UU.

Los autores también incluyen a Fabrizio Nichele, Markus F. Ritter y Daniel Z. Haxwell de IBM Research Europe; Centro de Física de Materiales Stefan Ilićof (CFM-MPC); y F. Sebastian Bergeret del CFM-MPC y Donostia International Physics Center.

Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación Patrocinada de la Fuerza Aérea, la Oficina de Investigación Naval, la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Investigación del Ejército. Los financiadores adicionales son el Consejo Europeo de Investigación, el Programa Marco de Investigación e Innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea, el Ministerio de Ciencia e Innovación de España, la Fundación A. v. Humboldt y la Oficina de Ciencias Básicas del Departamento de Energía.

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