Un simple dispositif supraconducteur pourrait réduire considérablement la consommation d’énergie dans l’informatique et d’autres applications

Les scientifiques du MIT et leurs collègues ont créé un dispositif supraconducteur simple qui pourrait transférer le courant à travers des appareils électroniques beaucoup plus efficacement qu’il n’est possible aujourd’hui. En conséquence, la nouvelle diode, une sorte de commutateur, pourrait réduire considérablement la quantité d’énergie utilisée dans les systèmes informatiques haute puissance, un problème majeur qui pourrait s’aggraver. Même si elle en est aux premiers stades de développement, la diode est plus de deux fois plus efficace que les diodes similaires signalées par d’autres. Cela pourrait même faire partie intégrante des technologies émergentes d’informatique quantique.

Le travail, qui est rapporté dans le numéro en ligne du 13 juillet de Lettres d’examen physiquefait également l’objet d’un reportage dans Revue de physique.

Cet article montre que la diode supraconductrice est un problème entièrement résolu d’un point de vue technique, explique Philip Moll, directeur de l’Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière en Allemagne. Moll n’a pas été impliqué dans les travaux. La beauté de[this]le travail c’est ça [Moodera and colleagues] obtenu des rendements records sans même essayer [and] leurs structures sont encore loin d’être optimisées.

Notre ingénierie d’un effet de diode supraconductrice robuste et capable de fonctionner sur une large plage de températures dans des systèmes simples peut potentiellement ouvrir la porte à de nouvelles technologies, déclare Jagadeesh Moodera, responsable des travaux en cours et chercheur principal au département de physique du MIT. Moodera est également affilié au Laboratoire de recherche sur les matériaux, au Laboratoire Francis Bitter Magnet et au Plasma Science and Fusion Center (PSFC).

La diode rectangulaire nanoscopique, environ 1 000 fois plus fine que le diamètre d’un cheveu humain, est facilement évolutive. Des millions pourraient être produits sur une seule plaquette de silicium.

Vers un interrupteur supraconducteur

Les diodes, dispositifs qui permettent au courant de circuler facilement dans un sens mais pas dans l’autre, sont omniprésentes dans les systèmes informatiques. Les puces informatiques modernes à semi-conducteurs contiennent des milliards de dispositifs de type diode, appelés transistors. Cependant, ces appareils peuvent devenir très chauds en raison de la résistance électrique, ce qui nécessite de grandes quantités d’énergie pour refroidir les systèmes haute puissance des centres de données derrière une myriade de technologies modernes, y compris le cloud computing. Selon un article d’actualité de 2018Natureces systèmes pourraient consommer près de 20 % de l’énergie mondiale d’ici 10 ans.

En conséquence, les travaux visant à créer des diodes constituées de supraconducteurs sont un sujet brûlant en physique de la matière condensée. En effet, les supraconducteurs transmettent le courant sans aucune résistance en dessous d’une certaine température basse (la température critique) et sont donc beaucoup plus efficaces que leurs cousins ​​semi-conducteurs, qui présentent des pertes d’énergie notables sous forme de chaleur.

Cependant, jusqu’à présent, d’autres approches du problème faisaient appel à une physique beaucoup plus complexe. L’effet que nous avons trouvé est dû [in part] à une propriété omniprésente des supraconducteurs qui peut être réalisée de manière très simple et directe. Cela vous regarde en face, dit Moodera.

Selon Moll de l’Institut Max Planck, ces travaux constituent un contrepoint important à la mode actuelle consistant à associer des diodes supraconductrices. [with] physique exotique, comme les états d’appariement à moment fini. Alors qu’en réalité, une diode supraconductrice est un phénomène courant et répandu présent dans les matériaux classiques, du fait de certaines symétries brisées.

Une découverte quelque peu fortuite

En 2020, Moodera et ses collègues ont observé des preuves d’une paire de particules exotiques connues sous le nom de fermions Majorana. Ces paires de particules pourraient conduire à une nouvelle famille de qubits topologiques, éléments constitutifs des ordinateurs quantiques. En réfléchissant aux approches de création de diodes supraconductrices, l’équipe s’est rendu compte que la plate-forme matérielle développée pour les travaux de Majorana pourrait également être appliquée au problème des diodes.

Ils avaient raison. En utilisant cette plateforme générale, ils ont développé différentes itérations de diodes supraconductrices, chacune plus efficace que la précédente. Le premier, par exemple, consistait en une fine couche nanoscopique de vanadium, un supraconducteur, modelée selon une structure commune à l’électronique (la barre de Hall). Lorsqu’ils ont appliqué un minuscule champ magnétique comparable au champ magnétique terrestre, ils ont vu la diode exercer une dépendance géante en termes de polarité pour le flux de courant.

Ils ont ensuite créé une autre diode, en superposant cette fois un supraconducteur avec un ferromagnétique (un isolant ferromagnétique dans leur cas), un matériau qui produit son propre petit champ magnétique. Après avoir appliqué un petit champ magnétique pour magnétiser le ferromagnétique afin qu’il produise son propre champ, ils ont découvert un effet de diode encore plus important, stable même après la désactivation du champ magnétique d’origine.

Propriétés omniprésentes

L’équipe a ensuite compris ce qui se passait.

En plus de transmettre le courant sans résistance, les supraconducteurs possèdent également d’autres propriétés, moins connues mais tout aussi omniprésentes. Par exemple, ils n’aiment pas que les champs magnétiques pénètrent à l’intérieur. Lorsqu’ils sont exposés à un minuscule champ magnétique, les supraconducteurs produisent un supercourant interne qui induit son propre flux magnétique qui annule le champ externe, maintenant ainsi leur état supraconducteur. Ce phénomène, connu sous le nom d’effet de dépistage Meissner, peut être considéré comme semblable à la libération par le système immunitaire de notre corps d’anticorps pour combattre l’infection par des bactéries et d’autres agents pathogènes. Toutefois, cela ne fonctionne que jusqu’à une certaine limite. De même, les supraconducteurs ne peuvent pas entièrement empêcher l’entrée de grands champs magnétiques.

Les diodes créées par l’équipe utilisent cet effet de blindage Meissner universel. Le minuscule champ magnétique qu’ils ont appliqué soit directement, soit à travers la couche ferromagnétique adjacente, active le mécanisme de courant de filtrage des matériaux pour expulser le champ magnétique externe et maintenir la supraconductivité.

L’équipe a également découvert qu’un autre facteur clé dans l’optimisation de ces diodes supraconductrices réside dans les minuscules différences entre les deux côtés, ou bords, des dispositifs à diodes. Ces différences créent une sorte d’asymétrie dans la manière dont le champ magnétique pénètre dans le supraconducteur, explique Moodera.

En concevant leur propre forme de bords sur les diodes pour optimiser ces différences, par exemple, un bord avec des caractéristiques en dents de scie, tandis que l’autre bord n’est pas intentionnellement modifié, l’équipe a découvert qu’elle pouvait augmenter l’efficacité de 20 % à plus de 50 %. Cette découverte ouvre la porte à des appareils dont les bords pourraient être réglés pour des efficacités encore plus élevées, explique Moodera.

En résumé, l’équipe a découvert que les asymétries de bord au sein des diodes supraconductrices, l’effet d’écran Meissner omniprésent que l’on retrouve dans tous les supraconducteurs et une troisième propriété des supraconducteurs connue sous le nom d’épinglage vortex se sont tous réunis pour produire l’effet de diode.

Il est fascinant de voir comment des facteurs discrets mais omniprésents peuvent créer un effet significatif dans l’observation de l’effet diode, explique Yasen Hou, premier auteur de l’article et postdoctorant au Francis Bitter Magnet Laboratory et au PSFC. Ce qui est plus excitant, c’est que [this work] fournit une approche simple avec un énorme potentiel pour améliorer encore l’efficacité.

Christoph Strunk est professeur à l’Université de Ratisbonne en Allemagne. Selon Strunk, qui n’a pas participé à la recherche, les travaux actuels démontrent que le supercourant dans de simples bandes supraconductrices peut devenir non réciproque. De plus, lorsqu’il est combiné à un isolant ferromagnétique, l’effet diode peut même être maintenu en l’absence de champ magnétique externe. La direction de rectification peut être programmée par la magnétisation résiduelle de la couche magnétique, ce qui peut présenter un potentiel élevé pour des applications futures. Le travail est important et attrayant tant du point de vue de la recherche fondamentale que du point de vue des applications.

Contributeurs adolescents

Moodera a noté que les deux chercheurs qui ont créé les bords techniques l’ont fait alors qu’ils étaient encore au lycée pendant un été au laboratoire de Mooderas. Il s’agit d’Ourania Glezakou-Elbert de Richland, Washington, qui ira à l’Université de Princeton cet automne, et d’Amith Varambally de Vestavia Hills, Alabama, qui entrera à Caltech.

Selon Varambally, je ne savais pas à quoi m’attendre lorsque j’ai mis les pieds à Boston l’été dernier, et je ne m’attendais certainement pas à le faire. [be] un coauteur dans unLettres d’examen physiquepapier.

Chaque jour était passionnant, que je lisais des dizaines d’articles pour mieux comprendre le phénomène des diodes, que je fasse fonctionner des machines pour fabriquer de nouvelles diodes à étudier ou que j’engageais des conversations avec Ourania, le Dr Hou et le Dr Moodera au sujet de nos recherches.

Je suis profondément reconnaissant envers le Dr Moodera et le Dr Hou de m’avoir donné l’opportunité de travailler sur un projet aussi fascinant, et envers Ourania pour être un excellent partenaire de recherche et ami.

Outre Moodera et Hou, les auteurs correspondants de l’article sont les professeurs Patrick A. Lee du département de physique du MIT et Akashdeep Kamra de l’Université autonome de Madrid. Les autres auteurs du MIT sont Liang Fu et Margarita Davydova du Département de physique, ainsi que Hang Chi, Alessandro Lodesani et Yingying Wu, tous du Francis Bitter Magnet Laboratory et du Plasma Science and Fusion Center. Chi est également affilié au laboratoire de recherche CCDC de l’armée américaine.

Les auteurs incluent également Fabrizio Nichele, Markus F. Ritter et Daniel Z. Haxwell d’IBM Research Europe ; Stefan Ili^{du Centre de Physique des Matériaux (CFM-MPC) ; et F. Sebastian Bergeret du CFM-MPC et du Donostia International Physics Center.}

Ce travail a été soutenu par l’Office of Sponsored Research de l’Air Force, l’Office of Naval Research, la National Science Foundation et l’Army Research Office. Les autres bailleurs de fonds sont le Conseil européen de la recherche, le programme-cadre de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne, le ministère espagnol de la Science et de l’Innovation, la Fondation A. v. Humboldt et le Bureau des sciences fondamentales du Département de l’énergie.