Supravodivá dióda by mohlo výrazne znížiť spotrebu energie v počítačoch

Takzvaný supravodivý diódový efekt v poslednom čase priťahuje značnú pozornosť v rámci fyzikálneho výskumu, a to vďaka svojej potenciálnej hodnote pre vývoj nových technológií. Materiály, ktoré ním disponujú, sú v podstate supravodivé v jednom smere toku prúdu a rezistívne v druhom. Výskumníci z Massachusettskej technologickej univerzity (MIT) v spolupráci s IBM Research Europe a ďalšími inštitúciami nedávno pozorovali tento zaujímavý efekt v tenkých vrstvách supravodivých materiálov.

Ich zistenia, prezentované v časopise Physical Review Letters, by mohli umožniť výrobu nových elektronických súčiastok, napríklad výkonnejších diód (t. j. zariadení, ktoré umožňujú tok elektrického prúdu v určitom smere). Nová dióda by mohla výrazne znížiť množstvo energie spotrebovanej vo výkonných počítačových systémoch, čo je v súčasnosti veľký problém, ktorý sa časom ešte zhorší. Aj keď je dióda v počiatočnom štádiu vývoja, je viac ako dvakrát účinnejšia ako iné podobné diódy. Mohla by byť dokonca neoddeliteľnou súčasťou vznikajúcich kvantových počítačových technológií.

Nanoskopická obdĺžniková dióda (približne 1000-krát tenšia ako priemer ľudského vlasu) je ľahko škálovateľná. Na jednej kremíkovej substrátovej doštičke (waferi) by sa ich mohli vyrobiť milióny. Diódy, zariadenia, ktoré umožňujú jednoduchý prechod prúdu jedným smerom, ale nie opačným, sú všadeprítomné v počítačových systémoch. Moderné polovodičové počítačové čipy obsahujú miliardy zariadení podobných diódam, známych ako tranzistory. Tieto zariadenia sa však môžu pre elektrický odpor veľmi zahrievať, čo si vyžaduje obrovské množstvo energie na chladenie výkonných systémov v dátových centrách.

Podľa správy v časopise Nature z roku 2018 by tieto systémy mohli do desiatich rokov spotrebovať takmer 20 % svetovej energie. Supravodiče však prenášajú prúd pod určitou nízkou teplotou (kritická teplota) bez akéhokoľvek odporu a preto sú oveľa účinnejšie ako ich polovodičové príbuzné, ktoré majú citeľné straty energie vo forme tepla. Vedúci výskumu Jagadeesh Moodera a jeho kolegovia nadviazali na prácu z roku 2020 týkajúcu sa Majoranových fermiónov a vyvracajú časté presvedčenie, že supravodivé zariadenia sú spojené s veľmi exotickou fyzikou.

Tím vyvinul rôzne iterácie supravodivých diód, pričom každá z nich bola účinnejšia ako predchádzajúca. Prvá napríklad pozostávala z nanoskopicky tenkej vrstvy supravodiča vanádu, ktorá bola tvarovaná do štruktúry bežnej v elektronike (Hallov senzor). Keď na ňu aplikovali malé magnetické pole porovnateľné s magnetickým poľom Zeme, pozorovali diódový efekt – obrovskú závislosť toku prúdu od polarity. Ďalšiu diódu vytvorili navrstvením supravodiča s feromagnetom (v ich prípade feromagnetickým izolantom), materiálom, ktorý vytvára vlastné nepatrné magnetické pole.

Po aplikovaní malého magnetického poľa na zmagnetizovanie feromagnetu tak, aby vytváral vlastné pole, zistili ešte väčší diódový efekt, ktorý bol stabilný aj po vypnutí pôvodného magnetického poľa. Práca dokazuje, že v kombinácii s feromagnetickým izolantom sa diódový efekt môže zachovať aj bez prítomnosti vonkajšieho magnetického poľa. Pokiaľ sa táto technológia presadí, mohlo by to viesť k výraznému zníženiu spotreby energie výpočtovými systémami.

Zdroj: mrl.mit.edu.