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Quarta-feira, Maio 18, 2022

Supercondutividade unidirecional anuncia uma nova era na computação

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Pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Delft (TU Delft) descobriram o análogo supercondutor do diodo semicondutor, o Diodo Josephson. Demonstrado com supercondutividade direcional livre de campo magnético e com acoplamento Josephson, a realização servirá como o alicerce da próxima geração de tecnologia de circuito supercondutor. Desde que a supercondutividade foi descoberta em 1911, pensava-se que a supercondutividade unidirecional livre de campo magnético era impossível. o Novo Atlas relataram sobre esta descoberta, que deverá aumentar a velocidade de computação em 400% e resultar em grande economia de energia.

Em 1965, Gordon Moore observou que o número de transistores em um circuito integrado denso dobra quase a cada dois anos. Essa observação ficou conhecida como Lei de Moore. À medida que a densidade do transistor aumentou, o intervalo de duplicação caiu de dois anos para 18 meses, já que a indústria de semicondutores colheu grandes recompensas. O século XX tornou-se a era do semicondutor.

No entanto, nos últimos anos, a Lei de Moore começou a desacelerar, levando a preocupações de que A Lei de Moore está morta. Embora a Lei de Moore não esteja morta, é verdade que a Lei de Moore começou a atingir seus limites, afetando os ganhos de produtividade que os semicondutores produziram e que a economia como um todo tem desfrutado.

Consequentemente, o impulso para encontrar maneiras de aumentar a velocidade de computação nunca foi tão grande. É aí que entra essa descoberta. Os supercondutores permitiriam que dispositivos eletrônicos operassem em velocidades muito maiores, sem perda de energia. No entanto, o problema é que os supercondutores carregam bidirecionalmente e usam campos magnéticos. Isso significa que o aumento das velocidades de computação com supercondutores não foi possível. A unidirecionalidade é fundamental para computação e outros eletrônicos. A condução normal apresenta elétrons voando na forma de partículas separadas, que se movem como pares em supercondutores que não sofrem perda de energia. Na década de 1970, pesquisadores da IBM tentaram desenvolver computação supercondutora, mas tiveram que abandonar a projeção porque, na ausência de supercondutividade não recíproca, os computadores executados em supercondutores eram impossíveis.

Os cientistas lutam com a supercondutividade desde sua descoberta em 1911 por Kamerlingh Onnes, um físico holandês. Os supercondutores permitem que a corrente flua através de um fio sem qualquer resistência, de modo que a corrente não possa ser inibida ou bloqueada. Mais importante, essa corrente não pode fluir em uma direção ou outra.

Heng Wu e Mazhar Ali e o resto da equipe TU Delft, publicaram seus resultados na prestigiosa revista científica Nature. Os resultados da equipe tornaram os diodos supercondutores possíveis e levaram a indústria da computação à beira de uma mudança revolucionária nas velocidades de computação e na eficiência energética da eletrônica.

Para realizar o diodo Josephson, a equipe fabricou uma simetria de inversão quebrando a heteroestrutura de van der Waals de NbSe2/Nb3Br8/NbSe2. Os semicondutores podem ter um dipolo fixo embutido, o que dificulta o movimento dos elétrons em oposição aos outros, mas os supercondutores não desfrutam desse potencial. Consequentemente, os pesquisadores foram limitados em como eles podem gerar unidirecionalidade. A unidirecionalidade só foi possível através de campos magnéticos, tornando-a impraticável para a eletrônica.

A supercondutividade unidirecional é uma grande conquista dada a natureza dos supercondutores. Uma ótima analogia é que os supercondutores unidirecionais são como gelo que não tem atrito em uma direção e atrito intransponível na outra.

Para superar as limitações dos supercondutores, a equipe usou um novo material quântico 2D semelhante ao grafeno, Nb3Br8 que é usado em camadas atômicas. Teoricamente, havia sido proposto que poderia ter seu próprio dipolo elétrico.

A equipe desenvolveu “Quantum Material Josephson Junctions”, que intercala camadas atômicas de Nb3Br8 entre dois supercondutores. Este sanduíche extremamente fino é tão grosso quanto algumas camadas atômicas. Isso era essencial para fazer um diodo Josephson e era algo que não poderia ser feito com materiais 3D típicos.

Tipos antigos de supercondutores Josephson Junction já são a base de muitas tecnologias, como ressonâncias magnéticas e computação quântica. A tecnologia que funcionava com semicondutores agora pode ser desenvolvida com supercondutores, como computadores com até um terahertz de velocidade, 300 a 400% mais rápidos do que os computadores mais rápidos atuais. Estamos agora entrando na era do supercondutor. Essa é a vantagem mais óbvia dos supercondutores para a eletrônica.

Os supercondutores também tornarão a eletrônica mais ecológica. Por exemplo, um fio supercondutor estendido até a lua poderia transmitir energia sem qualquer perda. De acordo com o Conselho Holandês de Pesquisa (NWO), a substituição de semicondutores por supercondutores pode levar a economias de reservas de energia ocidentais de até 10%.

Os supercondutores serão implementados primeiro em supercomputadores e farms de servidores. Isso ocorre porque o mundo mudou para um modelo de computação centralizado, com computação intensiva feita em instalações centralizadas nas quais a localização leva a ganhos maciços em gerenciamento de calor e energia e outras áreas. A tecnologia existente pode ser adaptada aos diodos Josephson. Com isso, os supercondutores revolucionarão a supercomputação e a computação centralizada.





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