Bij toeval hebben onderzoekers van de TU Delft een supergeleider ontwikkeld die elektriciteit in één richting laat lopen.
Een supergeleidende diode, opgebouwd uit laagjes van één atoom dik, kan het energieverbruik van computers enorm verlagen. Ook kan het een doorbraak zijn voor supergeleidende quantumcomputers.
Een diode is een elektronische component die stroom in één richting laat lopen. Het is een fundamenteel onderdeel van de transistor, de basiscomponent van moderne computers. Diodes en transistoren zijn gemaakt van halfgeleiders die een elektrische weerstand hebben, wat betekent dat er energie in verloren gaat in de vorm van warmte.
Heersen zwermen killerdrones straks over het slagveld?
Een luchtruim gevuld door kunstmatig intelligente killerdrones, die autonoom bepalen wie blijft leven en wie zal sterven. Hoe waarschijnlijk is dat?
Supergeleiders hebben geen weerstand. Daardoor gaat er geen energie bij verloren. Ze kunnen echter niet gebruikt worden als diodes, omdat het bij traditionele diodes juist de weerstand is die ervoor zorgt dat elektriciteit slechts in één richting stroomt.
Niet voorspeld
Mazhar Ali, universitair docent nanowetenschappen aan de Technische Universiteit Delft, heeft nu met zijn collega’s voor het eerst een supergeleidende diode gedemonstreerd. Ze plaatsten een tweedimensionale laag van een materiaal genaamd niobium-3-broom-8 tussen twee supergeleidende lagen. Wanneer elektronen in de ene richting door het geheel reizen, ondervinden zij geen weerstand. In de andere richting ondervinden ze dat wel.
‘Dit was niet voorspeld’, zegt Ali. ‘We hebben dit experimenteel gewoon geprobeerd – er was geen voorspelling voorafgaand aan het experiment.’
Het resultaat was zo onverwacht dat Ali en zijn team niet helemaal begrijpen hoe de supergeleidende diode werkt. ‘Mensen hebben een ruw idee, maar een rigoureuze theorie bestaat nog niet’, zegt Ali.
Honderden keren sneller
Naast het omverstoten van theorie kan de ontdekking ook belangrijke praktische toepassingen hebben. Computers en datacenters verbruiken tussen de 10 en 20 procent van alle elektriciteit in de wereld. Een groot deel daarvan gaat verloren in de vorm van warmte door de elektrische weerstand in transistoren. Door supergeleidende halfgeleiders te maken, zouden computers honderden keren minder stroom kunnen verbruiken en mogelijk honderden keren sneller kunnen werken, aldus Ali.
De diode bespaart niet alleen energie, maar kan ook van cruciaal belang zijn voor de vooruitgang van quantumcomputers. De diode gebruikt namelijk een fenomeen dat het josephson-effect wordt genoemd, een quantumproces waarbij elektronen door een spleet tussen twee supergeleiders kunnen tunnelen.
Zogeheten josephson-juncties worden veel gebruikt in supergeleidende quantumcomputers. Het gebruik van een josephson-diode zou daarom kunnen leiden tot nieuwe soorten quantumcomputers.
Energie-inefficiënt
‘Bijzonder indrukwekkend aan dit resultaat is het feit dat je een josephson-apparaat hebt. Want daarbij komt een heleboel extra natuurkunde kijken die je bijvoorbeeld niet zou hebben in een supergeleidende draad’, zegt Jason Robinson, hoogleraar materiaalfysica aan de Universiteit van Cambridge.
Ali en zijn team willen hun ontdekking nu gebruiken om een supergeleidende transistor te bouwen, maar er liggen nog uitdagingen in het verschiet. De huidige diode werkt bij ongeveer 2 kelvin, oftewel -271 graden Celsius. Het kost meer energie om die temperatuur in stand te houden dan de diode zou kunnen besparen.
Ali denkt de diode met alternatieve materialen kan werken bij temperaturen boven 77 kelvin – de temperatuur waarbij stikstof vloeibaar is. Dat zou de diodes wel energiebesparend maken.
Verder wordt de diode momenteel nog in een handmatig proces gemaakt, waarbij lagen van supergeleidend materiaal zorgvuldig worden afgepeld en op elkaar gestapeld. Dit zou geautomatiseerd moeten worden om de apparaten op grote schaal te maken, zegt Ali.
