Hollantilaisen Delftin teknillisen korkeakoulun tutkijat ovat onnistuneet valmistamaan vain yhteen suuntaan suprajohtavan komponentin. Tätä on tähän asti pidetty mahdottomana. Innovaatio avaa tietä jopa sata kertaa nykyistä nopeammalle elektroniikalle.
Yhteen suuntaan suprajohtavaa komponenttia on pidetty mahdottomana ideana aina suprajohtavuuden keksimisestä lähtien vuonna 1911. Nyt kuitenkin professori Mazhar Alin johtama tiimi on kehittänyt tällaisen suprajohtavan diodin käyttämällä 2-ulotteisia kvanttikalvomateriaaleja.
Kyse on merkittävästä läpimurrosta, joka saattaa mahdollistaa elektronisten komponenttien korvaamisen suprajohtavilla elektroniikassa. Tämä johtaisi jopa sata kertaa nopeampaan laskentaan kymmenyksen pienemmällä tehonkulutuksella. Jokaisen tietää, että tällä olisi mullistava merkitys kaiken elektroniikan kehittämisen kannalta.
Professori Alin mukaan puolijohteissa vain yhteen suuntaan johtuminen voidaan toteuttaa esimerkiksi pn-liitoksena, jossa toisella puolella on ylimääräisiä elektroneja (-) ja toisella puolella vapaita aukkoja (+). Elektronit voivat virrata toiseen suuntaan varauksen tuottaman potentiaalin takia.
Tällaista ominaisuutta suprajohteissa ei ole aiemmin ollut ilman magneettikenttää. Suprajohteet ovat enemmän metallin kaltaisia ja johtavat molempiin suuntiin. Nature-lehdessä esitelty tutkimus kuvaa suprajohtavaa komponenttia, joka johtaa vain yhteen suuntaan ilman magneettikenttää. Se perustuu ns. Josephsonin liitokseen (Josephson Junction), jossa kahden suprajohdekerroksen välissä on ei-johtava kerros.
Alin tiimi korvasi tämän, tyypillisesti klassisista materiaaleista koostuvan välikerroksen kvanttimateriaalilla, jonka avulla suprajohdekerrosten välistä liitäntää voidaan moduloida uudella tavalla. Käytössä oli grafeenin kaltainen kalvomateriaali (Nb3Br8) ja tuloksena Josephsonin diodi. Kalvomateriaali kuorittiin vain muutaman atomin paksuiseksi, joten diodista saatiin vain muutaman atomikerroksen paksuinen.
Josephsonin liitosta käytetään jo monissa sovelluksissa, esimerkiksi kvanttitietokoneissa. Delftin tutkijoiden seuraava askel on saada Josephsonin diodi toimimaan korkeammissa lämpötiloissa. Mikäli toiminta onnistuisi yli 77 Kelvinin lämpötiloissa, voitaisiin rakentaa nestemäisellä typellä jäähdytettyjä laitteistoja. Toinen kehityskohde on massavalmistus. Alfin tiimi valmisti piirejä muutaman, mutta tuotannon skaalaaminen niin, että sirulla olisi miljoonia tällaisia diodeita, on vaatimus kaupalliselle hyödyntämiselle.
Innovaatio ei johda suprajohtaviin komponentteihin perustuviin kotitietokoneisiin, mutta esimerkiksi palvelinfarmit ovat mahdollinen tulevaisuuden käyttökohde, näkee professori Ali.
Kuva: Delft University of Technology
Yhdysvaltain presidentti Donald Trump on antanut uuden presidentin asetuksen, jolla perustetaan United States Investment Accelerator -niminen virasto vauhdittamaan miljardiluokan investointeja maahan. Tavoitteena on houkutella sekä kotimaisia että ulkomaisia yrityksiä sijoittamaan erityisesti strategisesti tärkeisiin aloihin, kuten puolijohdeteollisuuteen.
Teollisuus- ja ajoneuvosovelluksissa siirtyminen kohti kestävämpiä energiaratkaisuja ja tehokkaampia moottoreita tuo mukanaan uudenlaisia vaatimuksia elektroniikkasuunnittelulle. Järjestelmät yhdistävät yhä useammin laajan kaistaeron komponentteihin perustuvat suurjännitealijärjestelmät ja herkät pienjännitepiirit, kuten mikro-ohjaimet. Näiden yhdistäminen samassa kokonaisuudessa lisää sekä suorituskykyä että riskejä – galvaaninen erotus ja häiriösuojaus ovatkin nyt tärkeämpiä kuin koskaan, sanoo Toshiba Electronics Europe.
