Képek: MIT, Flickr
A számítási rendszerekben mindenhol jelenlévő diódák az áram könnyű egyirányú áramlását biztosító eszközök (a másik irányba nem lehetséges). A modern félvezetős számítógép chipekben többmilliárd diódaszerű eszköz, tranzisztor található.
Mivel az elektromos ellenállás miatt nagyon felmelegedhetnek, nagykapacitású rendszerek hűtéséhez, például az adatközpontok mögötti csúcstechnológiákhoz, felhőszámításokhoz komoly energiamennyiség szükséges. Ezek a rendszerek a következő tíz évben a világ energiafogyasztásának közel húsz százalékát jelenthetik.
Miért jók a szupravezetők?
Az áramot remekül vezető, szupravezető anyagokból készült diódák iránt így törvényszerűen folyamatosan nő az igény. A szupravezetők bizonyos – a kritikus – hőmérséklet alatt ugyanis bármiféle ellenállás nélkül továbbítják az áramot, ezért pedig sokkal hatékonyabbak a hő formájában jelentős energiamennyiséget vesztő félvezetőknél.
Eddig a fizika tudományának bonyolult területeiből kiinduló, az „egzotikus fizikából” ismert megoldásokkal igyekeztek kezelni a problémát. Aztán az MIT (Massachusetts Institute of Technology) kutatói rájöttek, hogy a szupravezetők egyik mindenhol érzékelhető tulajdonságát kiaknázva, nagyon sima a megoldás.
Az áramot elektronikus készülékekben az eddigieknél sokkal hatékonyabban továbbító, egyszerű szupravezető eszközt fejlesztettek. A kapcsolószerű új dióda drasztikus mértékben csökkenti masszív számítási rendszerek energiafelhasználását, ráadásul a hagyományosabb technikáknál maradva, a fogyasztás folyamatosan nő.
A kezdeti fejlesztési stádiumban lévő új dióda több mint kétszer hatékonyabb még a hozzá leginkább hasonló technikáknál is. Robusztus, széles hőmérsékleti skálán funkcionál, a jövőre nézve pedig különösen bíztató, hogy kvantumszámítógépekbe is beintegrálható.
Legalább a felére csökkenhet a fogyasztás
Az MIT-s kutatók 2020-ban a Majorana-fermion (Majorana-részecske) néven ismert részecskepárt tanulmányozták. Egy ilyen fermion lényege, hogy saját maga antirészecskéje. A párok a kvantumszámítógépek építőkockái, a topológiai kvantumbitek (qubitek) új családjához vezethetnek.
Miközben a szupravezető diódákon töprengtek, rájöttek, hogy a Majorana-projekthez kialakított anyagplatform a diódaproblémára is használható. Iteratív módon, több diódát hoztak létre, a hatékonyság fokozatosan javult. Először vékony vanádiumréteggel dolgoztak, a Föld mágneses mezejéhez hasonló apró mágneses mezőre alkalmazva, és rögtön észlelték a dióda hatását.
Következő diódájuk ferromágneses, tehát mágneses mezőt alkotó, szigetelővel rétegzett, az elsőnél is hatékonyabb szupravezetőből állt. A hatékonyságot lépésről lépésre, húsz százalékról ötven felettire növelték.
Az újítás alapja – és az említett tulajdonság –, hogy ha a szupravezetők kicsi mágneses tér hatásainak vannak kitéve, akkor belső szuperáramot hoznak létre, amely mágneses fluxust indukálva, megtartja a szupravezető állapotot. A jelenség az emberi immunrendszer bakteriális és más kórokozók okozta fertőzések ellen küzdő antitest-kibocsátásához hasonló.
A kutatók másik fontos újítása a diódák oldalai közötti apró különbségeinek optimalizálása, ezzel érték el a hatékonyság szignifikáns növekedését.
