Einfache supraleitende Vorrichtung könnte den Energieverbrauch von Computern drastisch reduzieren

Die Ergebnisse der Forschung wurden am 13. Juli in der Online-Ausgabe der Physical Review Letters veröffentlicht und sind auch Gegenstand eines Artikels in Physics Magazine.

"Diese Arbeit zeigt, dass die supraleitende Diode ein technisches Problem ist, das vollständig gelöst wurde", sagt Philip Moll, Direktor des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie in Deutschland. Moll war nicht an der Forschung beteiligt. "Das Schöne an dieser Arbeit ist, dass Moodera und seine Kollegen Rekordeffizienzen erzielt haben, ohne es überhaupt zu versuchen, und ihre Strukturen sind noch lange nicht optimiert."

"Unser Engineering einer robusten supraleitenden Diode, die über einen weiten Temperaturbereich in einfachen Systemen verwendet werden kann, könnte das Tor für neue Technologien öffnen", sagt Jagadeesh Moodera, Leiter der aktuellen Arbeit und Senior Research Scientist am MIT Department of Physics. Moodera ist auch mit dem Materials Research Laboratory, dem Francis Bitter Magnet Laboratory und dem Plasma Science and Fusion Center (PSFC) verbunden.

Die nanoskopische rechteckige Diode, die etwa 1.000-mal dünner ist als der Durchmesser eines menschlichen Haares, ist einfach skalierbar. Millionen von ihnen könnten auf einem einzigen Siliziumwafer hergestellt werden.

Auf dem Weg zu einem supraleitenden Schalter

Dioden, die den Strom in eine Richtung leicht durchlassen, aber nicht in die umgekehrte Richtung, sind in Computersystemen allgegenwärtig. Moderne Halbleitercomputersysteme enthalten Milliarden von diodenähnlichen Bauelementen, sogenannten Transistoren. Diese Bauelemente können aufgrund des elektrischen Widerstands sehr heiß werden und erfordern enorme Mengen an Energie, um die Hochleistungssysteme in den Datenzentren hinter zahlreichen modernen Technologien, einschließlich Cloud Computing, zu kühlen. Laut einem Bericht aus dem Jahr 2018 in der Fachzeitschrift Nature könnten diese Systeme in 10 Jahren fast 20 Prozent der weltweiten Stromversorgung benötigen.

Aus diesem Grund wird seit einiger Zeit daran gearbeitet, Dioden aus Supraleitern herzustellen. Supraleiter übertragen Strom ohne jeglichen Widerstand bei einer bestimmten niedrigen Temperatur (der kritischen Temperatur) und sind daher wesentlich effizienter als ihre halbleitenden Cousins, bei denen Energieverlust in Form von Wärme auftritt.

Bisher haben andere Ansätze zu diesem Problem jedoch viel kompliziertere Physik erfordert. "Der Effekt, den wir gefunden haben, beruht teilweise auf einer allgegenwärtigen Eigenschaft von Supraleitern, die auf sehr einfache und unkomplizierte Weise realisiert werden kann. Es springt einem förmlich ins Auge", sagt Moodera.

Laut Moll vom Max-Planck-Institut "ist die Arbeit ein wichtiger Gegenentwurf zum derzeitigen Trend, supraleitende Dioden mit exotischer Physik, wie endlicher Impuls-Paarung, in Verbindung zu bringen. In Wirklichkeit ist eine supraleitende Diode ein alltägliches und weit verbreitetes Phänomen, das in klassischen Materialien aufgrund bestimmter gebrochener Symmetrien auftritt."

Eine gewissermaßen glückliche Entdeckung

Im Jahr 2020 beobachteten Moodera und seine Kollegen Hinweise auf ein exotisches Teilchenpaar namens Majorana-Fermionen. Diese Teilchenpaare könnten zu einer neuen Familie von topologischen Qubits führen, den Bausteinen von Quantencomputern. Bei der Überlegung, wie man supraleitende Dioden herstellen könnte, erkannte das Team, dass die Materialplattform, die sie für die Majorana-Forschung entwickelt hatten, auch für das Dioden-Problem genutzt werden könnte.

Sie hatten recht. Mit dieser Plattform entwickelten sie verschiedene Versionen von supraleitenden Dioden, von denen jede effizienter war als die vorherige. Die erste bestand beispielsweise aus einer nanoskopisch dünnen Schicht aus Vanadium, einem Supraleiter, der in eine für die Elektronik typische Struktur (die Hall-Bar) eingebracht wurde. Als sie ein winziges Magnetfeld anwandten, das dem Erdmagnetfeld vergleichbar war, beobachteten sie den Diode-Effekt - eine riesige Polarisationsabhängigkeit für den Stromfluss.

Dann schufen sie eine weitere Diode, bei der ein Supraleiter mit einem Ferromagneten (in ihrem Fall ein ferromagnetischer Isolator) geschichtet wurde, ein Material, das ein eigenes winziges Magnetfeld erzeugt. Nachdem sie ein kleines Magnetfeld angelegt hatten, um den Ferromagneten zu magnetisieren und damit sein eigenes Magnetfeld zu erzeugen, fanden sie einen noch größeren Diode-Effekt, der stabil blieb, selbst nachdem das urspüngliche Magnetfeld ausgeschaltet wurde.
Allgegenwärtige Eigenschaften

Das Team fand heraus, was dabei geschah.

Supraleiter haben neben der Leitung von Strom ohne Widerstand auch andere weniger bekannte, aber ebenso allgegenwärtige Eigenschaften. Sie lassen beispielsweise keine magnetischen Felder in sich eindringen. Wenn sie einem winzigen Magnetfeld ausgesetzt sind, erzeugen Supraleiter einen internen Suprastrom, der sein eigenes magnetisches Flusssystem erzeugt und damit das externe Feld ausgleicht und somit ihren supraleitenden Zustand aufrechterhält. Dieses Phänomen, bekannt als Meißner-Effekt, kann in etwa mit dem Immunsystem unseres Körpers verglichen werden, das Antikörper freisetzt, um eine Infektion durch Bakterien und andere Krankheitserreger zu bekämpfen. Das funktioniert jedoch nur bis zu einem gewissen Grad. Ähnlich können Supraleiter bestimmte große magnetische Felder nicht vollständig daran hindern, in sie einzudringen.

Die von dem Team entwickelten Dioden nutzen diesen universellen Meißner-Effekt aus. Das winzige Magnetfeld, das sie anwandten - entweder direkt oder über die benachbarte ferromagnetische Schicht - aktiviert den Mechanismus des Werkstoffs, das externe Magnetfeld auszustoßen und die Supraleitung aufrechtzuerhalten.

Das Team fand auch heraus, dass ein weiterer entscheidender Faktor für die Optimierung dieser supraleitenden Dioden 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 eindringt", sagt Moodera.

Durch die Konstruktion einer eigenen Art von Kanten bei den 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 die Effizienz von 20 Prozent auf über 50 Prozent steigern konnten. Diese Entdeckung eröffnet die Möglichkeit, Geräte herzustellen, bei denen die Kanten sogar noch für eine noch höhere Effizienz "abgestimmt" werden können, sagt Moodera.

Insgesamt entdeckte das Team, dass die Kantenasymmetrien bei supraleitenden Dioden, der allgegenwärtige Meißner-Effekt, der in allen Supraleitern zu finden ist, und eine dritte Eigenschaft von Supraleitern, die als Wirbelpinning bekannt ist, zusammenkommen, um den Diode-Effekt zu erzeugen.

"Es ist faszinierend zu sehen, wie unauffällige, aber allgegenwärtige Faktoren einen bedeutenden Effekt bei der Beobachtung des Diode-Effekts erzeugen können", sagt Yasen Hou, Erstautor des Papers und Postdoc am Francis Bitter Magnet Laboratory und dem PSFC. "Was noch aufregender ist, ist, dass diese Arbeit einen unkomplizierten Ansatz mit enormem Potenzial bietet, die Effizienz weiter zu verbessern."

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 nichtrekursiv werden kann. Darüber hinaus kann der Diode-Effekt beim Kombinieren mit einem ferromagnetischen Isolator sogar ohne ein externes Magnetfeld aufrechterhalten werden. Die Richtung der Gleichrichtung kann durch die Remanenzmagnetisierung der magnetischen Schicht programmiert werden, was ein hohes Potenzial für zukünftige Anwendungen haben könnte. Die Arbeit ist sowohl aus der Grundlagenforschung als auch aus der praktischen Anwendungsperspektive wichtig und attraktiv."

Teenager als Mitwirkende

Moodera wies darauf hin, dass die beiden Forscher, die die konstruierten Kanten erstellt haben, dies während der Oberstufe in der High School in einem Sommer in Mooderas Labor getan haben. Es handelt sich um Ourania Glezakou-Elbert aus Richland, Washington, die im Herbst an die Princeton University gehen wird, und Amith Varambally aus Vestavia Hills, Alabama, der an das Caltech gehen wird.

"Als ich letzten Sommer in Boston ankam, wusste ich nicht, was mich erwartet, und hätte nie erwartet, Co-Autor in einem Physical Review Letters-Paper zu sein", sagt Varambally.

"Jeder Tag war aufregend, ob ich nun Dutzende von Artikeln las, um das Phänomen der Dioden besser zu verstehen, oder Maschinen bediente, um neue Dioden für die Forschung herzustellen, oder Gespräche mit Ourania, Dr. Hou und Dr. Moodera über unsere Forschung führte.

"Ich danke Dr. Moodera und Dr. Hou zutiefst, dass sie mir die Möglichkeit gegeben haben, an einem so faszinierenden Projekt zu arbeiten, und Ourania dafür, dass sie eine großartige Forschungspartnerin und Freundin war."

Neben Moodera und Hou sind die korrespondierenden Autoren des Papiers Professoren Patrick A. Lee vom MIT Department of Physics und Akashdeep Kamra von der Autonomen Universität Madrid. Weitere Autoren vom MIT sind Liang Fu und Margarita Davydova vom Department of Physics, sowie Hang Chi, Alessandro Lodesani und Yingying Wu, alle vom Francis Bitter Magnet Laboratory und dem Plasma Science and Fusion Center. Chi ist auch mit dem U.S. Army CCDC Research Laboratory verbunden.

Die Autoren sind auch 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. Zusätzliche Förderer sind der Europäische Forschungsrat, das Forschungs- und Innovationsrahmenprogramm Horizon 2020 der europäischen Union, das spanische Ministerium für Wissenschaft und Innovation, die A. v. Humboldt-Stiftung und das Büro für Grundlagenwissenschaften des Department of Energy.

Quelle: Simple superconducting device could dramatically cut energy use in computing, other applications