MIT araştırmacıları, elektronik akım transferini iyileştirebilecek ve yüksek güçlü bilgi işlemde enerji kullanımını azaltabilecek verimli bir süper iletken diyot yarattı. Bu gelişme kuantum bilgi işlem teknolojilerine de fayda sağlayabilir. (Sanatçının süper iletken cihaz prototipi konsepti.)
Ultra küçük “anahtar” kolayca ölçeklendirilebilir.
MIT’den bir bilim insanı ekibi, meslektaşlarıyla birlikte geliştirdi akımı elektronik cihazlar aracılığıyla bugün mümkün olandan çok daha verimli bir şekilde aktarabilen basit bir süper iletken cihaz. Sonuç olarak, bir tür anahtar olan yeni diyot, yüksek güçlü bilgi işlem sistemlerinin enerji tüketimini önemli ölçüde azaltabilir. Bu, gelecekte daha da önemli hale geleceği tahmin edilen acil bir konudur. Geliştirmenin erken aşamalarında olmasına rağmen, diyot başkaları tarafından bildirilen benzerlerinden iki kat daha verimlidir. Hatta gelişmekte olan kuantum bilgi işlem teknolojilerinin ayrılmaz bir parçası olabilir.
MIT bilim adamları ve meslektaşları, akımı elektronik cihazlar aracılığıyla bugün mümkün olandan çok daha verimli bir şekilde aktarabilen basit bir süper iletken cihaz yarattılar. Sonuç olarak, bir tür anahtar olan yeni diyot, çok daha kötü hale geleceği tahmin edilen büyük bir sorun olan yüksek güçlü bilgi işlem sistemlerinde kullanılan enerji miktarını önemli ölçüde azaltabilir. Geliştirmenin erken aşamalarında olmasına rağmen, diyot başkaları tarafından bildirilen benzerlerinden iki kat daha verimlidir. Hatta gelişmekte olan kuantum bilgi işlem teknolojilerinin ayrılmaz bir parçası olabilir.
Fiziksel İnceleme Mektupları’nın 13 Temmuz tarihli çevrimiçi sayısında yer alan çalışma aynı zamanda Fizik alanında bir haberin konusu oldu Magazine.
MIT bilim adamları ve meslektaşları, diğer önemli uygulamaların yanı sıra bilgi işlemde enerji kullanımını önemli ölçüde azaltabilecek bir süper iletken cihaz geliştirdiler. Bir tasarımda diyot, süper iletken bir ince filmin (gri) üzerinde bir ferromanyetik şeritten (pembe) oluşur. Ekip ayrıca, hiçbir direnç göstermeden yalnızca tek yönde ilerleyen akımın ardındaki temel faktörleri de belirledi. Kredi bilgileri: A. Varambally, Y-S. Hou ve H. Chi
Max Planck Maddenin Yapısı ve Dinamiği Enstitüsü Direktörü Philip Moll, “Bu makale, süper iletken diyotun mühendislik açısından tamamen çözülmüş bir sorun olduğunu gösteriyor” diyor. Almanyada. Moll işe dahil değildi. “[Bu] çalışmanın güzelliği, [Moodera ve meslektaşlarının] rekor verimlilikleri denemeden elde etmesi [ve] yapılarının henüz optimize edilmiş olmaktan çok uzak olması.”
“Güçlü bir süper iletken diyot etkisi mühendisliğimiz MIT’nin Fizik Bölümü’nde kıdemli bir araştırma bilimcisi ve mevcut çalışmanın lideri Jagadeesh Moodera, basit sistemlerde geniş bir sıcaklık aralığında çalışabilir ve potansiyel olarak yeni teknolojilere kapı açabilir” diyor. Moodera ayrıca Malzeme Araştırma Laboratuvarı, Francis Bitter Mıknatıs Laboratuvarı ve Plazma Bilimi ve Füzyon Merkezi’ne (PSFC) bağlıdır.
Nanoskopik dikdörtgen diyot—insan saçı çapından yaklaşık 1.000 kat daha ince— kolayca ölçeklenebilir. Tek bir silikon gofret üzerinde milyonlarca üretilebilir.
MIT Kıdemli Araştırma Bilimcisi Jagadeesh Moodera, ultra ince filmler imal etmek için kullanılan özel yapım bir sistemin önünde duruyor. Çalışmaları arasında dirençsiz, spin polarize elektrik akımı sergileyen cihazlar; tek moleküller düzeyinde bellek depolamanın sağlanması; ve kuantum hesaplama için aranan anlaşılması zor Majorana fermiyonlarının aranması. Kredi: Denis Paiste
Süper iletken bir anahtara doğru
Diyotlar, yani akımın tek yönde kolayca akmasına izin veren ancak ters yönde hareket etmeyen cihazlar, bilgi işlem sistemlerinde her yerde bulunur. Modern yarı iletken bilgisayar çipleri, transistör olarak bilinen milyarlarca diyot benzeri cihaz içerir. Ancak bu cihazlar, elektrik direnci nedeniyle çok ısınabilir ve bulut bilgi işlem de dahil olmak üzere sayısız modern teknolojinin arkasındaki veri merkezlerindeki yüksek güçlü sistemleri soğutmak için çok büyük miktarlarda enerji gerektirir.Bunun nedeni, süperiletkenlerin akımı belirli bir düşük sıcaklığın (kritik sıcaklık) altında hiç direnç göstermeden iletmesi ve bu nedenle, ısı şeklinde gözle görülür bir enerji kaybı olan yarı iletken kuzenlerinden çok daha verimli olmalarıdır.
Şu ana kadar: Ancak şimdi, soruna yönelik diğer yaklaşımlar çok daha karmaşık fiziği içeriyor. “Bulduğumuz etki [kısmen] süper iletkenlerin çok basit ve anlaşılır bir şekilde gerçekleştirilebilen her yerde bulunan bir özelliğinden kaynaklanıyor. Sadece yüzünüzün içine bakıyor,” diyor Moodera.
Maddenin Yapısı ve Dinamiği için Max Planck Enstitüsü’nden Moll, “Çalışma, süper iletken diyotları [ile ] sonlu momentum eşleşme durumları gibi egzotik fizik. Gerçekte, bir süper iletken diyot, belirli simetri bozukluklarının bir sonucu olarak, klasik malzemelerde bulunan yaygın ve yaygın bir fenomendir.”
Biraz şans eseri bir keşif
2020’de Moodera ve meslektaşları Majorana fermiyonları olarak bilinen egzotik bir parçacık çiftinin gözlemlenen kanıtı. Bu parçacık çiftleri, kuantum bilgisayarların yapı taşları olan yeni bir topolojik kübit ailesine yol açabilir. Ekip, süper iletken diyotlar yaratma yaklaşımlarını düşünürken, Majorana çalışması için geliştirdikleri malzeme platformunun diyot sorununa da uygulanabileceğini fark etti.
Haklıydılar. Bu genel platformu kullanarak, her biri bir öncekinden daha verimli olan farklı süper iletken diyot yinelemeleri geliştirdiler. Örneğin birincisi, elektronikte yaygın olan bir yapıya (Hall çubuğu) desenlenmiş bir süper iletken olan nanoskopik olarak ince bir vanadyum tabakasından oluşuyordu. Dünya’nın manyetik alanıyla karşılaştırılabilir küçük bir manyetik alan uyguladıklarında, diyot etkisini gördüler; akım akışı için dev bir kutupsallık bağımlılığı.
Ardından, bu kez bir ferromanyet (bir mıknatıs) ile bir süper iletken katmanlayarak başka bir diyot yarattılar. durumda ferromanyetik yalıtkan), kendi küçük manyetik alanını üreten bir malzeme. Ferromanyeti kendi alanını oluşturacak şekilde mıknatıslamak için küçük bir manyetik alan uyguladıktan sonra, orijinal manyetik alan kapatıldıktan sonra bile kararlı olan daha da büyük bir diyot etkisi buldular.
Her yerde bulunan özellikler
{ 2}Ekip, neler olduğunu anlamaya devam etti.
Süper iletkenler, akımı dirençsiz iletmenin yanı sıra, daha az bilinen ancak her yerde bulunan başka özelliklere de sahiptir. Örneğin, manyetik alanların içeri girmesini sevmezler. Süper iletkenler, küçük bir manyetik alana maruz kaldıklarında, kendi manyetik akısını indükleyen ve dış alanı iptal eden dahili bir süper akım üretir, böylece süper iletken durumlarını korurlar. Meissner tarama etkisi olarak bilinen bu fenomen, vücudumuzun bağışıklık sisteminin bakteri ve diğer patojenlerle savaşmak için antikorlar salmasına benzer olarak düşünülebilir. Ancak bu, yalnızca bir sınıra kadar işe yarar. Benzer şekilde, süper iletkenler büyük manyetik alanları tamamen dışarıda tutamazlar.
Ekibin oluşturduğu diyotlar, bu evrensel Meissner perdeleme etkisinden yararlanır. Doğrudan veya bitişikteki ferromanyetik katman yoluyla uyguladıkları küçük manyetik alan, malzemenin harici manyetik alanı dışarı atmak ve süper iletkenliği korumak için tarama akımı mekanizmasını etkinleştirir.
Ekip ayrıca bunları optimize etmede başka bir önemli faktörün daha olduğunu buldu. süper iletken diyotlar, diyot cihazlarının iki tarafı veya kenarları arasındaki küçük farklardır. Moodera, bu farklılıkların “manyetik alanın süper iletkene girme biçiminde bir tür asimetri yarattığını” söylüyor.
Bu farklılıkları optimize etmek için diyotlarda kendi kenar biçimlerini tasarlayarak (örneğin, testere dişi özelliklere sahip bir kenar) , diğer uç ise kasıtlı olarak değiştirilmedi—ekip, verimliliği yüzde 20’den yüzde 50’nin üzerine çıkarabileceklerini buldu. Moodera, bu keşfin, kenarları daha da yüksek verimlilikler için “ayarlanabilen” cihazlara kapı araladığını söylüyor.
Özetle, ekip, süper iletken diyotlardaki kenar asimetrilerinin, tüm diyotlarda bulunan her yerde bulunan Meissner tarama etkisinin olduğunu keşfetti. süper iletkenler ve girdap sabitleme olarak bilinen süper iletkenlerin üçüncü bir özelliği, diyot etkisini oluşturmak için bir araya geldi.
“Diyot etkisini gözlemlerken göze çarpmayan ancak her yerde bulunan faktörlerin ne kadar önemli bir etki yaratabileceğini görmek büyüleyici.” Makalenin ilk yazarı ve Francis Bitter Magnet Laboratuvarı ve PSFC’de doktora sonrası çalışan Yasen Hou diyor. “[Bu çalışmanın] verimliliği daha da artırmak için büyük potansiyele sahip basit bir yaklaşım sağlaması daha da heyecan verici.”
Christoph Strunk, Almanya’daki Regensburg Üniversitesi’nde profesördür.Ayrıca, bir ferromanyetik yalıtkanla birleştirildiğinde, diyot etkisi, harici bir manyetik alanın yokluğunda bile korunabilir. Doğrultma yönü, gelecekteki uygulamalar için yüksek potansiyele sahip olabilecek manyetik tabakanın kalıcı mıknatıslanmasıyla programlanabilir. Çalışma, hem temel araştırma hem de uygulama açısından önemli ve ilgi çekici.”
Genç katılımcılar
Moodera, tasarlanmış kenarları oluşturan iki araştırmacının bunu henüz çalışma aşamasındayken yaptığını belirtti. lisede bir yaz boyunca Moodera’nın laboratuvarında. Bunlar, bu sonbaharda Princeton’a gidecek olan Richland, Washington’dan Ourania Glezakou-Elbert ve California Teknoloji Enstitüsü’ne girecek olan Vestavia Hills, Alabama’dan Amith Varambally.
Varambally şöyle diyor: geçen yaz Boston’a ayak bastığımda neyle karşılaşacağımı bilmiyordum ve bir Physical Review Letters makalesinde yardımcı yazar [olmayı] kesinlikle beklemiyordum.
“Düzinelerce okuyor olsam da her gün heyecan vericiydi. diyot fenomenini daha iyi anlamak için makaleler veya çalışma için yeni diyotlar imal eden makineleri çalıştırmak veya araştırmamız hakkında Ourania, Dr. Hou ve Dr. Moodera ile sohbet etmek. Bana böylesine büyüleyici bir projede çalışma fırsatı sağladıkları için Dr. Moodera ve Dr. Hou’ya ve harika bir araştırma ortağı ve arkadaş oldukları için Ourania’ya.”
Referans: “Süper İletken İnceliğinde Her Yerde Bulunan Süper İletken Diyot Etkisi Filmler”, Yasen Hou, Fabrizio Nichele, Hang Chi, Alessandro Lodesani, Yingying Wu, Markus F. Ritter, Daniel Z.Haxell, Margarita Davydova, Stefan Ilić, Ourania Glezakou-Elbert, Amith Varambally, F. Sebastian Bergeret, Akashdeep Kamra, Liang Fu, Patrick A. Lee ve Jagadeesh S. Moodera, 13 Temmuz 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.027001
Moodera ve Hou’ya ek olarak, makale, MIT Physics’ten Profesör Patrick A. Lee ve Universidad Autónoma de Madrid’den Akashdeep Kamra’dır. MIT’den diğer yazarlar, MIT Physics’ten Liang Fu ve Margarita Davydova ve tüm Francis Bitter Magnet Laboratuvarı ve Plazma Bilimi ve Füzyon Merkezi’nden Hang Chi, Alessandro Lodesani ve Yingying Wu’dur. Chi aynı zamanda ABD Ordusu CCDC Araştırma Laboratuvarı’na da bağlıdır.
Yazarlar arasında IBM Research Europe’dan Fabrizio Nichele, Markus F. Ritter ve Daniel Z. Haxwell; Stefan Ilićof Centro de Física de Materiales (CFM-MPC); ve CFM-MPC ve Donostia Uluslararası Fizik Merkezi’nden F. Sebastian Bergeret.
Bu çalışma, Hava Kuvvetleri Sponsorlu Araştırma Ofisi, Deniz Araştırmaları Ofisi, Ulusal Bilim Vakfı ve Ordu Araştırma Ofisi tarafından desteklenmiştir. . Ek fon sağlayıcılar, Avrupa Araştırma Konseyi, Avrupa Birliği’nin Horizon 2020 Araştırma ve İnovasyon Çerçeve Programı, İspanyol Ministerio de Ciencia e Innovacion, A. v. Humboldt Vakfı ve Enerji Bakanlığı’nın Temel Bilimler Ofisi’dir.
.