Suprajohtavat diodit ovat tulevaisuus

Mitä tapahtuisi, jos yhdistäisit suprajohteen vertaansa vailla olevan tehokkuuden puolijohteen joustavuuteen ja hallittavuuteen? Kvanttimateriaalien uuden läpimurron ansiosta saatamme saada vastauksen pian.

Osakan yliopiston johtama tutkimusryhmä ilmoittaa onnistuneesta havainnosta niin kutsutusta suprajohtavasta diodi-ilmiöstä Fe(Se,Te)/FeTe-heterorakenteessa.

Uudessa tiedeartikkelissa kuvataan sarja kokeita, joissa materiaalille kehittyi taipumus virrata tiettyyn suuntaan, ilmiö, joka tunnetaan tasasuuntauksena, laajalla lämpötila- ja magneettikenttien alueella.

Lähes jokaisessa nykyään käytössä olevassa elektronisessa laitteessa käytetään puolijohteita, jotka voivat joko estää tai tehostaa elektronien virtausta yhteen suuntaan, mikä mahdollistaa sähköisten signaalien tarkan hallinnan.

Fyysikkojen pitkäaikainen tavoite on ollut yhdistää tämä teknologia suprajohteisiin, joilla ei käytännössä ole sähköistä resistanssia ja jotka voivat siten siirtää varauksia täydellisellä tehokkuudella. Tähän mennessä menestys on kuitenkin ollut rajallista.

”Suprajohteissa materiaalin valinta on ratkaisevan tärkeää”, Junichi Shiogai selittää. ”Rautaseleniditelluridilla on ihanteelliset ominaisuudet, kuten korkea siirtymälämpötila, kriittinen magneettikenttä ja kriittinen virrantiheys. Tämä tarkoittaa, että parametrien alue, jolla vaikutus voi ilmetä, on laaja, mikä antaa meille parhaat mahdollisuudet onnistua.”

Kun heidän järjestelmään kohdistettiin magneettikenttä, virran suunnassa tapahtui merkittävä muutos. Vaikutus voimistui myös magneettikentän voimakkuuden kasvaessa ja lämpötilan laskiessa. Analysoimalla dataa näiden parametrien vaihdellessa tiimi pystyi kehittämään vaikutukselle johdonmukaisen selityksen.

”Tähän asti tämän ilmiön mekanismi on ollut enimmäkseen mysteeri”, Shiogai sanoo. ”Kokeemme paljastavat, että magneettikentän synnyttämien kvanttipyörteiden kiinnittymisellä on ratkaiseva rooli.”

Tutkimusryhmä havaitsi, että voimakas spin-orbitaalivuorovaikutus muuttaa epäsymmetristä pinning-potentiaalia siten, että pyörteet pysyvät enemmän jumissa yhteen suuntaan kuin toiseen, mikä luo tasasuuntauksen toteuttamiseen tarvittavan symmetrian rikkoutumisen. Vahva lineaarinen korrelaatio diodin hyötysuhteen ja polarisaation voimakkuuden välillä vahvisti heidän hypoteesinsa.

”Olemme optimistisia sen suhteen, että näitä tuloksia voidaan soveltaa ihanteellisen tasasuuntauslaitteen kehittämiseen, joka tasoittaa tietä suprajohteista rakennetulle erittäin vähän energiaa kuluttavalle elektroniikalle”, Shiogai sanoo. Tiimin tutkimuksen ansiosta tällaisten suprajohteiden tulevaisuus näyttää todella valoisalta.

Aiheesta aiemmin:

Monitoiminen suprajohtava diodi

Josephson-liitosten käyttö supravirran ohjaamiseen

Suprajohtava diodi ilman magneettikenttää