发现“不可能”的超导体承诺可以更快100倍的电子设备

“这将影响各种社会和技术应用。”

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荷兰研究人员做了“不可能的”。

通过创建一种新型的超导体,他们有可能解锁一项可能使计算机更快数百次的技术 - 在第一电子革命的规模上,这是一个突破。

“这将影响各种社会和技术应用,”代尔夫特技术大学(TU DELFT)的研究员Mazhar Ali预测。“如果20世纪是半导体的世纪,那么21世纪可以成为超导体的世纪。”

电101

原子核之外的是带负电荷的颗粒,称为电子,可以从一个原子流向另一个原子 - 该运动是电的。

在某些材料中,电子与核紧密结合,并且不容易流动 - 这些材料是绝缘子。在其他情况下,例如铜和银,电子被松散地绑定,可以轻松从一个原子移到另一个原子 - 这些都是导体。

半导体是落在导体和绝缘体之间的材料 - 硅是一种常用的半导体。

“如果20世纪是半导体的世纪,那么21世纪可以成为超导体的世纪。”

马扎尔·阿里

我们依靠导体和半导体来运输电力 - 例如,我们使用用铜制成的电线将其从发电厂发送到我们的房屋,以及硅芯片,以控制其在我们的电子设备内部的运动。

所有导体和半导体抵抗电子的流量至少有些。这意味着每次电子从一个原子移动到另一个原子时,以热的形式损失了一点能量。

那些失去的能量损失加起来:关于5%在美国发电厂发电的电力中,它永远不会到达人们的家中。同时,在我们的设备中,过热限制了处理器的工作速度并可能导致程序崩溃。

超导体

1911年,一位荷兰物理学家发现,在适当的情况下,有些材料不会损失任何当它们的电子从一个原子移到另一个原子时,能量。这些被称为超导体,一个例子是冷却至-271摄氏度(-457华氏度)。

如果我们可以用超导体替换导体或半导体,我们的电子设备可能会更快地变为数百次,而不会浪费能量过热,我们将能够保存数十亿美元每年的电力传输损失。

超导体不会输任何当它们的电子从一个原子移到另一个原子时,能量。

但是,一个主要问题是电力流动而没有阻力两个都通过超导体的方向。

对于大多数应用程序,我们需要能够从一个方向上移动电流,从A点到B-在1970年代,IBM研究人员确定我们永远无法使用计算机中的超导体,例如,除非有人弄清楚单向超导性。

可以使用磁场通过超导体引导电流,但是在纳米级上很难控制这些电场。这对超导体的应用大大有限 - 如今,它们主要保留给MRI机器麦格尔夫火车

发现

Tu Delft的研究人员现在已经做到了似乎不可能的,通过使电朝着一个方向流过超导体没有使用磁铁。他们称其为“约瑟夫森二极管”。

关键设计是使用材料的2D层 - 意味着它只有一个原子厚 - 具有内置的电磁场。然后将该材料(称为NB3BR8)夹在超导体的2D层之间(称为NBSE2)。

“以前只能使用半导体才能使用的技术可以使用超导体制成。”

马扎尔·阿里

当将电流施加到该三明治上时,电子在一个方向上流动时不会遇到电阻,但是在相反的方向上,它们遇到了更大的电阻 - 大约与正常导体一样多。

研究人员尚不确定他们的二极管如何工作 - “人们有一个粗略的想法,但严格的理论尚不存在”告诉新科学家- 但他们认为他们的发现可能会产生巨大的影响。

阿里说:“以前只能使用半导体才能使用该构件的超导体可以制造技术。”“这包括更快的计算机,就像在Terahertz速度最大的计算机中一样,比我们现在使用的计算机快300至400倍。”

下一步

一个没有磁铁的单向超导体是一个重大突破,但是在发现其在实验室外有用之前,TU DELFT团队仍然有障碍。

一个是温度 - 约瑟夫森二极管目前必须在-271°C(-455.8°F)下运行,这对于大多数应用而言是不切实际的。

现在的计划是尝试使用已知在较高温度下工作的超导材料 - 如果二极管可以在-196°C(-321°F)或更高版本下工作,则可以通过液氮来处理冷却,该冷却已用于管理在数据中心加热。

另一个障碍是弄清楚如何扩大生产。

阿里说:“虽然我们在纳米版中证明了这项工作真是太好了,但我们只制作了少数。”“下一步将是调查如何将生产扩展到数百万的约瑟夫森二极管。”

约瑟夫森二极管的创造者(从左到右):Yaojia Wang,Mazhar Ali和Heng Wu。学分:Tu Delft

我们将不久时将芯片放在手机和笔记本电脑中的数百度以下。但是,如果Tu代尔夫特团队可以克服这些剩余的挑战,Ali会看到已经安装了高级冷却系统的二极管,例如超级计算机设施。

它们也可以在服务器农场,随着云中越来越多的计算发生,有一天每个人都可以利用通过互联网来利用超导计算机的力量。

阿里说:“现有的基础设施可以改编而没有太多成本无法与基于约瑟夫森二极管的电子产品合作。”“如果讨论的挑战被克服,这将是一个非常真实的机会,这将彻底改变集中和超级计算!”

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