Investigadores logran desarrollar un superconductor unidireccional

Un equipo de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos acaba de lograr lo que hasta ahora se consideraba imposible: lograron diseñar un superconductor que permite que la corriente fluya en una sola dirección. Este descubrimiento podría allanar el camino para una nueva generación de computadoras y dispositivos electrónicos para los cuales esta propiedad es fundamental.

El fenómeno de la superconductividad fue descubierto en 1911 por el físico Heike Kamerlingh Onnes. Por definición, un superconductor es capaz de conducir corriente eléctrica sin resistencia, por lo tanto, sin pérdida de energía. En otras palabras, con un superconductor, la corriente teóricamente puede fluir casi infinitamente, porque la energía no se disipa. También tiene la propiedad de expulsar totalmente el campo magnético que lo rodea. El fenómeno ocurre a temperaturas muy bajas, cercanas al cero absoluto, y se basa en la formación de pares de electrones (llamados “pares de Cooper”).

Por el contrario, en un circuito eléctrico o electrónico estándar, cuando fluye corriente, el electrones encuentran cierta resistencia a medida que se mueven (debido a las interacciones con los átomos circundantes); por lo tanto, parte de la energía eléctrica se pierde en forma de calor. Esta es también la razón por la que los aparatos eléctricos están calientes al tacto después de unos minutos de funcionamiento. Si estos dispositivos funcionaran a base de superconductores, no solo serían más eficientes, sino también mucho más económicos en términos de electricidad.

Dos superconductores separados por un material cuántico

Los superconductores pueden hacer que la electrónica sea cientos de veces más rápida, y su implementación haría que la computación fuera mucho más «verde». Según el Consejo de Investigación holandés (NWO), el uso de superconductores en lugar de semiconductores ordinarios puede ahorrar hasta un 10 % de todas las reservas de energía occidentales. Sin embargo, para que esto sea posible algún día, los electrones superconductores deben moverse en una sola dirección en los circuitos, porque así es como funcionan la informática y la electrónica, un desafío aparentemente imposible.

Sin embargo, el profesor Mazhar Ali y su grupo de investigación en la Universidad Técnica de Delft han logrado esta hazaña, que es absolutamente notable: ¡es como inventar un tipo de hielo en el que solo se puede patinar de una manera! » Si el siglo XX fue el siglo de los semiconductores, el siglo XXI podría convertirse en el siglo de los superconductores «, dijo el científico. en un comunicado de prensa.

Como señala el físico, con los semiconductores el problema no se plantea: su conductividad se puede controlar mediante el dopaje, que consiste en integrar una pequeña cantidad de impurezas en el material para producir un exceso o déficit de electrones. Los semiconductores dopados de manera diferente pueden ponerse en contacto para crear uniones: » El ejemplo clásico es la famosa “unión pn”, donde se unen dos semiconductores: uno tiene electrones extra (-) y el otro tiene agujeros extra (+). La separación de carga crea un potencial neto integrado que electrón pasar por el sistema se sentirá. Esto rompe la simetría y puede dar lugar a propiedades ‘unidireccionales’ “dice Alí.

Nunca ha sido posible obtener un comportamiento análogo sin un campo magnético con superconductores, que siempre conducen corriente en ambas direcciones y no tienen potencial integrado. Pero a Ali y su equipo se les ocurrió la idea de usar “uniones de Josephson de material cuántico”. Las uniones de Josephson son conjuntos de dos superconductores, separados por un material aislante o metálico no superconductor; esta vez optaron por un material cuántico bidimensional (como el grafeno), con la fórmula Nb3Br8 -que forma parte de un grupo de nuevos materiales cuánticos desarrollados por un equipo de la Universidad Johns Hopkins, en Estados Unidos-.

Otros retos a superar antes de una aplicación comercial

La teoría mostró que Nb3Br8 albergaba un dipolo eléctrico agudo. Entre dos capas de diseleniuro de niobio (NbSe2), permitió crear una unión que puede ser superconductora con corriente positiva, pero resistiva con corriente negativa.

Para confirmar sus resultados, los investigadores intentaron «intercambiar» el diodo, aplicando la misma magnitud de corriente en ambas direcciones. Por lo tanto, demostraron que no midieron la resistencia (superconductividad) en una dirección, sino la resistencia real (conductividad normal) en la otra. También aseguraron que el efecto ocurriera solo en ausencia total de un campo magnético, un punto particularmente importante, ya que los campos magnéticos a nanoescala son muy difíciles de controlar y limitar, señala el científico.

Por lo tanto, una tecnología que antes solo era posible con semiconductores ahora se puede lograr con superconductores. Este nuevo enfoque podría permitir desarrollar computadoras 300 a 400 veces más rápidas que las computadoras actuales. Sin embargo, queda otro desafío que enfrentar antes de considerar una aplicación comercial: elevar la temperatura de operación de la unión (el superconductor utilizado en este estudio requiere temperaturas por debajo de -266°C).

» Ahora queremos trabajar con superconductores conocidos de «alta temperatura crítica» y ver si podemos ejecutar diodos Josephson a temperaturas superiores a 77 K (-196 °C), ya que esto permitirá que el nitrógeno líquido se enfríe. “, especifica Ali en el comunicado de prensa. Hecho esto, aún será necesario encontrar la manera de producir estos componentes a gran escala, con el objetivo de obtener chips equipados con millones de diodos Josephson.

Fuente: H. Wu et al., Naturaleza