Блог

Sep 01, 2023

Простое сверхпроводящее устройство может значительно сократить потребление энергии в вычислениях и других приложениях

Предыдущее изображение Следующее изображение Ученые Массачусетского технологического института и их коллеги создали простое сверхпроводящее устройство, которое может передавать ток через электронные устройства гораздо эффективнее, чем это возможно

Предыдущее изображение Следующее изображение

Ученые Массачусетского технологического института и их коллеги создали простое сверхпроводящее устройство, которое может передавать ток через электронные устройства гораздо эффективнее, чем это возможно сегодня. В результате новый диод, своего рода переключатель, может значительно сократить количество энергии, используемой в мощных вычислительных системах, и это серьезная проблема, которая, по оценкам, станет намного хуже. Несмотря на то, что диод находится на ранней стадии разработки, он более чем в два раза эффективнее аналогичных, о которых сообщают другие. Это может даже стать неотъемлемой частью новых технологий квантовых вычислений.

Работа, о которой сообщается в онлайн-выпуске Physical Review Letters от 13 июля, также стала темой новости в журнале Physics Magazine.

«Эта статья демонстрирует, что сверхпроводящий диод — это полностью решенная проблема с инженерной точки зрения», — говорит Филип Молл, директор Института структуры и динамики материи Макса Планка в Германии. Молл не принимал участия в работе. «Прелесть [этой] работы в том, что [Мудера и его коллеги] достигли рекордной эффективности, даже не пытаясь, [и] их структуры еще далеки от оптимизации».

«Наша разработка сверхпроводящего диода, который является надежным и может работать в широком диапазоне температур в простых системах, потенциально может открыть дверь для новых технологий», — говорит Джагадиш Мудера, руководитель текущей работы и старший научный сотрудник отдела исследований Массачусетского технологического института. Физика. Мудера также связан с Лабораторией исследования материалов, Магнитной лабораторией Фрэнсиса Биттера и Центром науки о плазме и термоядерном синтезе (PSFC).

Наноскопический прямоугольный диод — примерно в 1000 раз тоньше диаметра человеческого волоса — легко масштабируется. На одной кремниевой пластине можно было бы произвести миллионы.

На пути к сверхпроводящему переключателю

Диоды — устройства, которые позволяют току легко течь в одном направлении, но не в обратном, — повсеместно используются в вычислительных системах. Современные полупроводниковые компьютерные чипы содержат миллиарды диодных устройств, известных как транзисторы. Однако эти устройства могут сильно нагреваться из-за электрического сопротивления, требуя огромного количества энергии для охлаждения мощных систем в центрах обработки данных, использующих множество современных технологий, включая облачные вычисления. Согласно новостной статье журнала Nature за 2018 год, эти системы могут использовать почти 20 процентов мировой энергии через 10 лет.

В результате работа по созданию диодов из сверхпроводников стала горячей темой в физике конденсированного состояния. Это связано с тем, что сверхпроводники передают ток без какого-либо сопротивления ниже определенной низкой температуры (критической температуры) и, следовательно, гораздо более эффективны, чем их полупроводниковые собратья, которые имеют заметные потери энергии в виде тепла.

Однако до сих пор другие подходы к проблеме включали гораздо более сложную физику. «Обнаруженный нами эффект обусловлен [частично] распространенным свойством сверхпроводников, которое можно реализовать очень простым и понятным способом. Это просто смотрит вам в лицо», — говорит Мудера.

Говорит Молл из Института Макса Планка: «Эта работа является важным противовесом нынешней моде связывать сверхпроводящие диоды с экзотической физикой, такой как состояния спаривания с конечным импульсом. Хотя на самом деле сверхпроводящий диод — это обычное и широко распространенное явление, присутствующее в классических материалах в результате определенных нарушений симметрии».

Несколько неожиданное открытие

В 2020 году Мудера и его коллеги наблюдали свидетельства существования экзотической пары частиц, известной как майорановские фермионы. Эти пары частиц могут привести к созданию нового семейства топологических кубитов — строительных блоков квантовых компьютеров. Обдумывая подходы к созданию сверхпроводящих диодов, команда поняла, что материальная платформа, которую они разработали для работы Майораны, также может быть применена к проблеме диодов.