Découverte révolutionnaire du supraconducteur à sens unique – pensé pour être impossible

Impression d’artiste d’une puce supraconductrice. Crédit : TU Delft

Le professeur associé Mazhar Ali et son groupe de recherche à l’Université de technologie de Delft (TU Delft) ont découvert la supraconductivité unidirectionnelle sans champs magnétiques, ce que l’on pensait impossible depuis sa découverte en 1911 – jusqu’à maintenant. La découverte, publiée dans la revue nature, utilise des matériaux quantiques 2D et ouvre la voie à l’informatique supraconductrice. Les supraconducteurs peuvent rendre l’électronique des centaines de fois plus rapide, le tout sans aucune perte d’énergie.

Ali : « Si le 20e siècle a été le siècle des semi-conducteurs, le 21St peut devenir le siècle du supraconducteur.

Tout au long du XXe siècle, de nombreux scientifiques, dont des lauréats du prix Nobel, se sont débattus sur la nature de la supraconductivité, qui a été découverte en 1911 par le physicien néerlandais Kamerlingh Onnes. Dans les supraconducteurs, un courant circule à travers un fil sans résistance, ce qui signifie qu’il est difficile d’inhiber ce courant ou même de le bloquer, et encore moins de faire circuler le courant dans un sens et pas dans l’autre. Le fait que le groupe d’Ali ait pu rendre le supraconducteur unidirectionnel – ce qui est nécessaire pour l’informatique – est remarquable : c’est comme inventer un type spécial de glace qui n’a aucun frottement dans un sens mais un frottement insurmontable dans l’autre.

Supraconducteur : ultra-rapide, ultra-vert

Les avantages de l’application des supraconducteurs à l’électronique sont doubles. Les supraconducteurs peuvent rendre l’électronique des centaines de fois plus rapide, et l’incorporation de supraconducteurs dans notre vie quotidienne rendrait l’informatique beaucoup plus écologique : si vous faisiez tourner un fil supraconducteur d’ici à la lune, il transporterait l’énergie sans aucune perte. Par exemple, l’utilisation de supraconducteurs au lieu de semi-conducteurs ordinaires pourrait économiser jusqu’à 10% de toutes les réserves d’énergie occidentales selon NWO.

Selon le Conseil néerlandais de la recherche (NWO), l’utilisation de supraconducteurs au lieu de semi-conducteurs conventionnels pourrait économiser jusqu’à 10 % de toutes les réserves d’énergie occidentales.

L'(im)possibilité d’appliquer la supraconductivité

dans le 20e siècle et au-delà, personne ne pourrait s’attaquer à la barrière consistant à faire aller les électrons supraconducteurs dans une seule direction, ce qui est une propriété fondamentale nécessaire à l’informatique et à d’autres appareils électroniques modernes (considérez par exemple les diodes qui vont également dans un sens). En conduction normale, les électrons volent comme des particules séparées ; dans les supraconducteurs, ils se déplacent par paires de deux, sans aucune perte d’énergie électrique. Dans les années 70, les scientifiques d’IBM ont expérimenté l’idée du calcul supraconducteur mais ont dû arrêter leurs efforts : dans leurs articles sur le sujet, IBM mentionne que sans supraconductivité non réciproque, un ordinateur fonctionnant avec des supraconducteurs est impossible.

Supraconductivité est un ensemble de propriétés physiques observées dans certains matériaux dans lesquels la résistance électrique disparaît et les champs de flux magnétiques sont expulsés. Un supraconducteur est une substance qui possède ces qualités.

Entretien avec l’auteur correspondant Mazhar Ali

Q : Pourquoi, lorsque la direction unidirectionnelle fonctionne avec une semi-conduction normale, la supraconductivité unidirectionnelle n’a-t-elle jamais fonctionné auparavant ?

Mazhar Ali : « La conduction électrique dans les semi-conducteurs, comme le Si, peut être unidirectionnelle en raison d’un dipôle électrique interne fixe, donc d’un potentiel intégré net qu’ils peuvent avoir. L’exemple classique est la fameuse « jonction pn » ; où nous assemblons deux semi-conducteurs : l’un a des électrons supplémentaires (-) et l’autre a des trous supplémentaires (+). La séparation des charges crée un potentiel intégré net qu’un électron traversant le système ressentira. Cela rompt la symétrie et peut entraîner des propriétés « à sens unique » car avant et arrière, par exemple, ne sont plus les mêmes. Il y a une différence entre aller dans la même direction que le dipôle et aller à l’encontre de celui-ci ; comme si vous nageiez avec la rivière ou remontiez la rivière.

«Les supraconducteurs n’ont jamais eu d’analogue de cette idée unidirectionnelle sans champ magnétique; car ils sont plus liés aux métaux (c’est-à-dire aux conducteurs, comme leur nom l’indique) qu’aux semi-conducteurs, qui conduisent toujours dans les deux sens et n’ont aucun potentiel intégré. De même, les jonctions Josephson (JJ), qui sont des sandwichs de deux supraconducteurs avec des matériaux de barrière classiques non supraconducteurs entre les supraconducteurs, n’ont pas non plus eu de mécanisme particulier de rupture de symétrie qui a entraîné une différence entre “avant” et ” en arrière.”

Q : Comment avez-vous réussi à faire ce qui semblait initialement impossible ?

Ali : « C’était vraiment le résultat d’un des axes de recherche fondamentale de mon groupe. Dans ce que nous appelons « Quantum Material Josephson Junctions » (QMJJs), nous remplaçons le matériau de barrière classique dans les JJ par une barrière de matériau quantique, où les propriétés intrinsèques du matériau quantique peuvent moduler le couplage entre les deux supraconducteurs de manière novatrice. La Diode Josephson en était un exemple : nous avons utilisé le matériau quantique Nb3frère8qui est un matériau 2D comme[{” attribute=””>graphene that has been theorized to host a net electric dipole, as our quantum material barrier of choice and placed it between two superconductors.”

“We were able to peel off just a couple atomic layers of this Nb3Br8 and make a very, very thin sandwich — just a few atomic layers thick — which was needed for making the Josephson diode, and was not possible with normal 3D materials. Nb3Br8, is part of a group of new quantum materials being developed by our collaborators, Professor Tyrel McQueen’s and his group at Johns Hopkins University in the USA, and was a key piece in us realizing the Josephson diode for the first time.”

Q: What does this discovery mean in terms of impact and applications?

Ali: “Many technologies are based on old versions of JJ superconductors, for example, MRI technology. Also, quantum computing today is based on Josephson Junctions. Technology that was previously only possible using semiconductors can now potentially be made with superconductors using this building block. This includes faster computers, as in computers with up to terahertz speed, which is 300 to 400 times faster than the computers we are now using. This will influence all sorts of societal and technological applications. If the 20th century was the century of semiconductors, the 21st can become the century of the superconductor.”

“The first research direction we have to tackle for commercial application is raising the operating temperature. Here we used a very simple superconductor that limited the operating temperature. Now we want to work with the known so-called “High Tc Superconductors”, and see whether we can operate Josephson diodes at temperatures above 77 K, since this will allow for liquid nitrogen cooling. The second thing to tackle is scaling of production. While it’s great that we proved this works in nanodevices, we only made a handful. The next step will be to investigate how to scale production to millions of Josephson diodes on a chip.”

Q: How sure are you of your case?

Ali: “There are several steps which all scientists need to take to maintain scientific rigor. The first is to make sure their results are repeatable. In this case we made many devices, from scratch, with different batches of materials, and found the same properties every time, even when measured on different machines in different countries by different people. This told us that the Josephson diode result was coming from our combination of materials and not some spurious result of dirt, geometry, machine or user error or interpretation.”

“We also carried out “smoking gun” experiments that dramatically narrows the possibility for interpretation. In this case, to be sure that we had a superconducting diode effect we actually tried “switching” the diode; as in we applied the same magnitude of current in both forward and reverse directions and showed that we actually measured no resistance (superconductivity) in one direction and real resistance (normal conductivity) in the other direction.”

“We also measured this effect while applying magnetic fields of different magnitudes and showed that the effect was clearly present at 0 applied field and gets killed by an applied field. This is also a smoking gun for our claim of having a superconducting diode effect at zero-applied field, a very important point for technological applications. This is because magnetic fields at the nanometer scale are very difficult to control and limit, so for practical applications, it is generally desired to operate without requiring local magnetic fields.”

Q: Is it realistic for ordinary computers (or even the supercomputers of KNMI and IBM) to make use of superconducting?

Ali: “Yes it is! Not for people at home, but for server farms or for supercomputers, it would be smart to implement this. Centralized computation is really how the world works now-a-days. Any and all intensive computation is done at centralized facilities where localization adds huge benefits in terms of power management, heat management, etc. The existing infrastructure could be adapted without too much cost to work with Josephson diode based electronics. There is a very real chance, if the challenges discussed in the other question are overcome, that this will revolutionize centralized and supercomputing!”

On May 18th – 19th, Professor Mazhar Ali and his collaborators Prof. Valla Fatemi (Cornell University) and Dr. Heng Wu (TU Delft) are hosting a “Superconducting Diode Effects Workshop” on the Virtual Science Forum, in which 12 international experts in the field will be giving recorded talks online (to be published on YouTube) about the current state of the field as well as future research and development directions.

Reference: “The field-free Josephson diode in a van der Waals heterostructure” 27 April 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04504-8

Associate professor Mazhar Ali studied at UC Berkeley and Princeton and did his postdoc at IBM and won the Sofia Kovalevskaja Award from the Alexander von Humboldt Foundation in Germany before joining the faculty of Applied Sciences in Delft.

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