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Sep 01, 2023

Un semplice dispositivo superconduttore potrebbe ridurre drasticamente il consumo di energia nell'informatica e in altre applicazioni

Immagine precedente Immagine successiva Gli scienziati del MIT e i loro colleghi hanno creato un semplice dispositivo superconduttore in grado di trasferire corrente attraverso dispositivi elettronici in modo molto più efficiente di quanto sia possibile

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Gli scienziati del MIT e i loro colleghi hanno creato un semplice dispositivo superconduttore in grado di trasferire la corrente attraverso dispositivi elettronici in modo molto più efficiente di quanto sia possibile oggi. Di conseguenza, il nuovo diodo, una sorta di interruttore, potrebbe ridurre drasticamente la quantità di energia utilizzata nei sistemi informatici ad alta potenza, un problema importante che si stima peggiorerà notevolmente. Anche se è nelle prime fasi di sviluppo, il diodo è più del doppio più efficiente di quelli simili riportati da altri. Potrebbe anche essere parte integrante delle tecnologie emergenti di calcolo quantistico.

Il lavoro, riportato nel numero online del 13 luglio di Physical Review Letters, è anche oggetto di una notizia su Physics Magazine.

"Questo articolo dimostra che il diodo superconduttore è un problema completamente risolto dal punto di vista ingegneristico", afferma Philip Moll, direttore dell'Istituto Max Planck per la struttura e la dinamica della materia in Germania. Moll non è stato coinvolto nel lavoro. “La bellezza di [questo] lavoro è che [Moodera e colleghi] hanno ottenuto efficienze record senza nemmeno provarci [e] le loro strutture sono tutt’altro che ottimizzate”.

"La nostra progettazione di un effetto diodo superconduttore che sia robusto e possa funzionare in un ampio intervallo di temperature in sistemi semplici può potenzialmente aprire la porta a nuove tecnologie", afferma Jagadeesh Moodera, leader del lavoro attuale e ricercatore senior presso il Dipartimento di Scienze del MIT. Fisica. Moodera è anche affiliato al Laboratorio di ricerca sui materiali, al Laboratorio Francis Bitter Magnet e al Plasma Science and Fusion Center (PSFC).

Il diodo rettangolare nanoscopico, circa 1.000 volte più sottile del diametro di un capello umano, è facilmente scalabile. Se ne potrebbero produrre milioni su un singolo wafer di silicio.

Verso un interruttore superconduttore

I diodi, dispositivi che consentono alla corrente di viaggiare facilmente in una direzione ma non nel contrario, sono onnipresenti nei sistemi informatici. I moderni chip per computer semiconduttori contengono miliardi di dispositivi simili a diodi noti come transistor. Tuttavia, questi dispositivi possono diventare molto caldi a causa della resistenza elettrica, richiedendo grandi quantità di energia per raffreddare i sistemi ad alta potenza nei data center dietro una miriade di tecnologie moderne, compreso il cloud computing. Secondo un articolo di Nature del 2018, questi sistemi potrebbero utilizzare quasi il 20% dell’energia mondiale in 10 anni.

Di conseguenza, il lavoro verso la creazione di diodi costituiti da superconduttori è stato un argomento caldo nella fisica della materia condensata. Questo perché i superconduttori trasmettono corrente senza alcuna resistenza al di sotto di una certa bassa temperatura (la temperatura critica) e sono quindi molto più efficienti dei loro cugini semiconduttori, che presentano una notevole perdita di energia sotto forma di calore.

Fino ad ora, tuttavia, altri approcci al problema hanno coinvolto una fisica molto più complicata. “L’effetto che abbiamo scoperto è dovuto [in parte] a una proprietà onnipresente dei superconduttori che può essere realizzata in modo molto semplice e diretto. Ti guarda dritto in faccia”, dice Moodera.

Moll del Max Planck Institute afferma: “Il lavoro costituisce un importante contrappunto alla moda attuale di associare i diodi superconduttori [con] la fisica esotica, come gli stati di accoppiamento a momento finito. Mentre in realtà il diodo superconduttore è un fenomeno comune e diffuso presente nei materiali classici, a causa di alcune rotture di simmetrie”.

Una scoperta un po' fortuita

Nel 2020 Moodera e colleghi hanno osservato le prove di una coppia di particelle esotiche note come fermioni di Majorana. Queste coppie di particelle potrebbero portare a una nuova famiglia di qubit topologici, gli elementi costitutivi dei computer quantistici. Mentre riflettevano sugli approcci alla creazione di diodi superconduttori, il team si è reso conto che la piattaforma materiale sviluppata per il lavoro di Majorana potrebbe essere applicata anche al problema dei diodi.