פיזיקאים פיתחו מעגל מוליך-על שנחשב זמן רב שהוא בלתי אפשרי

התרשמות אמן של שבב מוליך-על. (TU Delft)

על ידי החלפת חומר קלאסי בחומר בעל תכונות קוונטיות ייחודיות, מדענים יצרו אמוליכות עלמעגל שמסוגל להישגים שנחשבים מזמן בלתי אפשריים.

התגלית, שנעשתה על ידי חוקרים מגרמניה, הולנד וארה'ב, הופכת מאה שנה של מחשבה על טבעם של מעגלים מוליכים, וכיצד ניתן לאלף את הזרמים שלהם ולהוציא אותם לשימוש מעשי.

מעגלים בעלי פסולת נמוכה, במהירות גבוהה המבוססים על הפיזיקה של מוליכות על מציגים הזדמנות פז לקחת את טכנולוגיית מחשוב העל לרמה חדשה לגמרי.

למרבה הצער, המאפיינים שהופכים את הצורה הבלתי מתאמצת הזו של זרם חשמלי לכל כך שימושית יוצרים גם אתגרים אינסופיים בתכנון גרסאות מוליכות-על של רכיבים חשמליים נפוצים.

קח משהו פשוט כמו א דיודה , לדוגמה. יחידה בסיסית זו של אלקטרוניקה היא כמו סימן חד-כיווני לזרמים, המספקת אמצעי לווסת, להמיר ולכוונן את תנועות האלקטרונים.

בחומרים מוליכים-על, הזהות של אותם אלקטרונים בודדים מיטשטשת, מה שמוביל לשותפים שנקראו זוגות קופר , המעניק לכל חלקיק בשותפות את היכולת להימנע מהידחקות גוזלת האנרגיה של זרם חשמלי טיפוסי יותר.

אבל ללא חוקי ההתנגדות הרגילים בעבודה, מדענים לא הצליחו לגרום לאלקטרונים מוליכים לנוע בכיוון אחד, מכיוון שהם תמיד מדגימים את מה שמכונה התנהגות 'הדדית'.

ההנחה הבסיסית הזו - שמוליכות-על אינה יכולה להפר את ההדדיות (לפחות לא ללא מניפולציה של שדה מגנטי) - נמשכת מאז תחילת המחקר בתחום.

למען האמת, זה מכשול שמהנדסים יכולים להסתדר בלעדיו.

'בשנות ה-70, מדענים ב-IBM ניסו את הרעיון של מחשוב מוליך-על אך נאלצו להפסיק את מאמציהם: במאמריהם בנושא, יבמ מזכירה שללא מוליכות-על לא הדדית, מחשב שפועל על מוליכים אינו אפשרי', מסבירים החוקרים. ב הודעה לעיתונות על המחקר החדש שלהם.

ייתכן שכעת צריך לחזור על המאמצים הללו, בעקבות ניסוי שמראה סוג של צומת עם רכיב קוונטי שמסוגל לכוון אפילו זוגות קופר ברחוב חד סטרי.

צומת ג'וזףסון הן רצועות דקות של חומר לא מוליך-על המפרידות בין זוג חומרים שהם מוליכים. אם החומר דק מספיק, אלקטרונים יכולים לרפא דרכם ללא טיפול בעולם.

מתחת לרמה מסוימת, ל'על זרם על' הזה אין מתח. בנקודה קריטית, נוצר מתח המתנודד במהירות בגלים שניתן להשתמש בהם ביישומים כמומחשבים קוונטיים.

הבטחת שזרם זה יעבור רק בדרך אחת הייתה אפשרית בעבר באמצעות שדה מגנטי חיצוני. אבל הצוות גילה שאם הם ישתמשו בסריג דו-ממדי המבוסס על המתכת ניוביום, הם יכולים לעזוב את השדה ולהסתמך אך ורק על התכונות הקוונטיות של החומר.

'הצלחנו לקלף רק כמה שכבות אטומיות מה-Nb הזה3בר8ולהכין כריך מאוד מאוד דק - רק כמה שכבות אטומיות בעובי - שהיה צורך לייצור דיודה ג'וזףסון, ולא היה אפשרי עם חומרים תלת מימדיים רגילים,' אומר החוקר הראשי מאזאר עלי, פיזיקאי מאוניברסיטת דלפט לטכנולוגיה בהולנד.

הצוות בטוח שהם סימנו את כל התיבות הנדרשות כדי להוכיח את הגילוי שלהם. ובכל זאת, יש עוד דרך ארוכה לפני שנראה מוליכים בלב ליבו של המחשוב של הדור הבא.

ראשית, התופעה של מוליכות-על מתרחשת בדרך כלל בחומרים המצוננים עד מעט מעל האפס המוחלט.

כמה חומרים מוליכים-עליכול להתמודד עם החום, אבל רק אם שמים עליו כמויות מטורפות של לחץ.

למידה כיצד צומתים של ג'וזףסון המבוססים על המחסומים הקוונטיים החדשים הללו פועלים תחת טמפרטורות ולחצים גבוהים יותר עשויה בסופו של דבר להיות מחליף משחק - להפחית את כמות הציוד הדרושה למחשבי-על יעילים להפליא, שכמותם מעולם לא ראה העולם.

'זה ישפיע על כל מיני יישומים חברתיים וטכנולוגיים', אומר אוֹ.

'אם המאה ה-20 הייתה המאה של מוליכים למחצה, המאה ה-21 יכולה להפוך למאה של מוליך-על .'

מחקר זה פורסם ב טֶבַע .

אודותינו

פרסום עובדות עצמאיות ומוכחות של דיווחים על בריאות, מרחב, טבע, טכנולוגיה וסביבה.