„Jednosměrná supravodivost“ má znamenat, že v jednom zařízení dokážeme kombinovat vlastnosti polovodiče a supravodiče – v supravodivé obdobě diody proud poteče pouze jedním směrem, v tomto případě ovšem bez odporu. Tak výsledek alespoň zjednodušeně popisuje Mazhar Ali z Technické univerzity v Delftu (Nizozemí). Objev publikovaný v Nature využívá 2D kvantové materiály a má otevírat cestu právě k počítačům na bázi supravodičů. Se všemi z toho plynoucími výhodami, jako jsou nižší odporové ztráty/spotřeba energie/nároky na chlazení.
Už samotný koncept jednosměrného polovodiče je dost revoluční a z pohledu laika působí až absurdně. Studie zmiňuje, že v 70. letech pracovala na myšlence supravodivého počítače IBM, ovšem právě kvůli nemožnosti dosáhnout jednosměrnosti (bez použití vnějšího magnetického pole) musel být projekt zastaven. Dnes se supravodiče využívají v jednom typu počítačů kvantových jako qubity, jde ovšem o speciální technologii.
V supravodiči (nebo ve vodiči – kovu) na rozdíl od polovodiče neexistují elektrické dipóly a nic na způsob PN přechodu. Tato symetrie se nedala narušit ani u Josephsonových přechodů, tedy sendvičů, kde jsou do sebe supravodiče odděleny izolantem. Nová technologie vychází z Josephsonových můstků z kvantových materiálů namísto klasického izolantu mezi supravodiči. Konkrétně byla jako látka použita sloučenina bromu a niobu Nb3Br8, a to ve formě 2D materiálu; obecně se Nb3Br8 má v řadě ohledů podobat grafenu a jen několik atomů tlustý sendvič s touto sloučeninou pro vědce z Delftu na objednávku připravil Tyrel McQueens a jeho kolegové z Johns Hopkins University.
Autoři studie uvádějí, že počítače na bázi QMJJ (Quantum Material Josephson Junction) by mohly mít frekvenci v terahertzech, asi 300-400krát vyšší než ty dnešní. Vylepšeny by mohly být i počítače kvantové nebo další technologie založené na supravodičích, např. magnetická rezonance.
Kritická, tak jako u jiných aplikací supravodivosti, je prozatím maximální provozní teplota. Dosud šlo autorům výzkumu pouze o demonstraci celého principu, nyní se budou snažit o kvantovou Josephsonovu diodu fungující i při 77 K, což by umožňovalo chlazení kapalným dusíkem. Vše dosud také funguje pouze jako nanozařízení, pro praktické uplatnění by byla potřeba také škálovatelnost technologie, tj. dokázat dostat na čip miliony příslušných diod.
Průvodní tisková zpráva Delft University dodává, že jev byl ověřen při vnějším magnetickém poli a naopak v jeho přítomnosti zaniká. Technika by tedy neměla vyžadovat žádnou složitou manipulaci s magnetickým polem v nanoměřítku. „Stávající infrastruktura /serverových farem nebo superpočítačů/ by mohla být bez větších nákladů přizpůsobena pro práci s elektronikou založenou na Josephsonových diodách,“ tvrdí Mazhar Ali.
Mazhar Ali, The field-free Josephson diode in a van der Waals heterostructure, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04504-8. www.nature.com/articles/s41586-022-04504-8
Zdroj: Delft University of Technology / Phys.org a další